鋰金屬電池憑借金屬鋰負極超高的理論比容量(3860 mAh/g)和極低的電化學還原電位(-3.04 V)，而被認為是最有潛力的下一代電池候選者。然而目前基于鋰離子電池的碳酸酯基電解液體系與鋰金屬電池無法很好地兼容，其根本原因在于目前的商業電解液無法在金屬鋰表面形成穩定的固態電解質界面（SEI）。這種缺陷不僅會造成鋰枝晶的生長，導致電池爆炸，還會嚴重影響鋰金屬電池的循環壽命。如何在金屬鋰負極界面構建同時具有高電子絕緣性、高離子電導率和高化學穩定性的理想型SEI成為一項重大的挑戰。
為解決以上問題，溫州大學化材學院居治金特聘教授與華南理工大學嚴克友教授、中科院物理所李泓教授、浙江工業大學陶新永教授合作，首次提出了以m-Li2ZrF6納米顆粒作為電壓驅動型電解液添加劑的概念（圖1）。研究表明，在電場的驅動下，m-Li2ZrF6顆粒向電解液中大量釋放ZrF62-離子，然后通過自發反應在金屬鋰負極表面原位形成富含t-Li2ZrF6晶體的SEI。DFT計算顯示t-Li2ZrF6晶體具有優異的離子電導率，能夠在t-Li2ZrF6晶體內部和t-Li2ZrF6/Li2O所構成的晶界中，為Li+提供快速遷移的通道?；趖-Li2ZrF6組分獨特的物理化學性質，富含t-Li2ZrF6的SEI具備了高離子電導率、高電子絕緣性和高電化學穩定性等理想型SEI必備的三大特征。此外，富含t-Li2ZrF6的SEI中t-Li2ZrF6晶體表面豐富的親鋰位點還能夠促進金屬鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶的產生。更重要的是憑借電壓驅動解離釋放ZrF62-功能離子特性，m-Li2ZrF6添加劑不僅能夠改善傳統添加劑在循環中被耗盡的缺陷，還能夠通過ZrF62-離子及時修復破損的富含t-Li2ZrF6的SEI，為金屬鋰負極的界面穩定提供長期保護。基于上述優勢，m-Li2ZrF6納米添加劑能夠使鋰金屬電池在超高面積載量和超大電流密度下穩定循環3000次，且擁有>80%的容量保持率。這項工作為金屬鋰負極界面保護研究提供了新的解決策略和材料，同時也為鋰金屬電池的實際商業化應用提供了可能。
相關研究成果以“Li2ZrF6-based electrolytes for durable lithium metal batteries”為題發表在國際頂級期刊《Nature》上。溫州大學化材學院居治金特聘教授為本文共同第一作者，溫州大學為第二署名單位，承擔鋰金屬電池敏感界面的冷凍電鏡精細解析研究工作。
原文連接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08294-z.
