无机固态电解质界面由于与锂金属负极具有良好的相容性而受到广泛关注。南华大学李滔教授团队通过氢氟醚稀释的得到低浓度电解液，来构建稳定的无机SEI应用于锂金属电池，同时电解液具有不易燃性和低成本的优点。氢氟醚的加入增强了锂离子与溶剂之间的配位强度，改变了溶剂的分解方法，生成更多的Li₂O，丰富的L_i2O提高了SEI的钝化能力和离子导电性。使用富Li₂O SEI的Li|NCM523电池在200次循环后容量保持率为96.1%。本工作采用调节溶剂的分解过程为实际锂金属电池构建稳定的无机SEI提供了新的思路。相关成果以题为“Stable Solvent-Derived Inorganic-Rich Solid Electrolyte Interphase  (SEI) for High-Voltage Lithium-Metal Batteries”发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

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能量密度超过350 Wh kg⁻¹的锂金属电池被认为是未来便携式电子产品和电动汽车的最有前途的电池技术之一。然而，锂枝晶导致的低库仑效率和电池安全性差给锂金属电池的实际应用带来了巨大挑战。锂沉积的形态在很大程度上取决于锂金属负极表面形成的固态电解质界面的性质（如离子传输、电子绝缘、力学和化学稳定性），而SEI的这些物理化学性质则取决于化学成分及其在SEI中的分布。通常，富含有机物的SEI通常来源于传统的碳酸盐电解质，与锂金属负极不相容，容易导致锂枝晶沉积。相比之下，富含无机元素的SEI在抑制锂枝晶方面显示出独特的优势，因为无机纳米晶体（如LiF、Li₂O和Li₂S）可以有效阻止电子隧穿并促进锂离子的均匀传输。因此，在锂金属负极上构建无机SEI已成为电解液设计的重要指导原则。

在Li⁺溶剂化鞘层中引入阴离子可以诱导阴离子在溶剂之前优先还原分解，从而产生富含无机物的SEI。因此，研究者致力于在电解质中构建一个以阴离子为主的溶剂化环境，以实现无机阴离子衍生的SEI。目前有两种主要方法可用于构建丰富的无机SEI。一种广泛使用的方法是将电解液浓度增加到阈值以上，称为高浓度电解质（HCE）和局部高浓度电解质（LHCE）。由于溶剂与阴离子的摩尔比相当，HCE和LHCE中形成了以阴离子为主的溶剂化鞘层，从而形成了阴离子衍生的无机富SEI。考虑到溶剂和阴离子之间与锂离子的竞争配位，提出了使用弱溶剂化溶剂的替代方法，以允许更多阴离子进入锂离子溶剂化鞘层，从而实现阴离子衍生的无机富SEI。然而，增加电解液浓度意味着高成本和高粘度，而弱溶解性溶剂由于其对盐的溶解度低，通常会导致低离子电导率。

综上所述，作者通过引入氢氟醚作为共溶剂，开发了一种不易燃、低浓度的电解液来实现溶剂衍生无机SEI。氢氟醚的引入提高了Li⁺−DMC的配位强度，改变了DMC的分解路径，促进了DMC的还原分解形成Li₂O。丰富的Li₂O赋予SEI更好的钝化能力和离子导电性，含Li₂O的SEI有效地加速了离子传输并阻止了电子隧穿。此外SEI中Li₂O的比例越高，锂金属负极的循环稳定性越好。使用薄锂负极（30μm）和高负载正极（3.8 mAh-cm⁻²），含Li₂O SEI的Li|NCM锂电池可在200次循环后保持96.1%的容量，1.1 Ah Li | NCA软包电池能量密度达到374 Wh-kg⁻¹，可实现45个稳定循环。本研究为设计稳定的无机SEI提供了一种溶剂方法，对锂金属/离子电池高性能电解质的未来发展具有启发意义。（文：李澍）

图1  (a-b) E-base和D-1:1的点火试验, (c) 室温下相应电解质的电导率和粘度,(d)相应电解质的拉曼光谱,(e)稀释前后溶剂化结构变化示意图, (f) E-base的LSV曲线

图2  Li | NCM523电池的相应充放电曲线和循环性能

图3  Li | NCM523电池中Li沉积形貌的SEM图和交流阻抗图

图4  不同电解液中SEI的XPS和TEM图

图5  Li | NCA软包电池图片、循环性能及充放电曲线