《Adv Mater》：一种新型LiF纳米盒稳定电池界面层！

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‍随着最先进的锂离子电池的比能量极限接近250 Wh kg^-1，金属锂被认为是高能量密度可充电电池的终极负极材料。然而，锂金属负极的主要材料挑战，包括巨大的体积变化,枝晶生长和电池循环过程中不稳定的固体电解质界面 (SEI) 层，阻碍了锂金属电池的实际应用。

基于此，中国科学技术大学姚宏斌教授，浙江工业大学陶新永教授，清华大学张跃钢教授和上海交通大学梁正副教授等人报告了“电解质中的分层多孔LiF纳米盒”作为一种新型的碳酸盐电解质工程策略，以赋予高度氟化的SEI层以在实际条件下稳定锂金属电池。相关论文以题为“Lithium Fluoride in Electrolyte for Stable and Safe Lithium-Metal Batteries”发表在Adv. Mater.。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102134

虽然过去几年电解质工程已成为最有效的策略之一，许多添加剂如CsPF₆，LiAsF₆ 和 LiNO₃，超高锂盐浓度电解质和氟化溶剂已表现出电解质工程改变SEI成分的有效性，从而实现均匀的锂沉积。特别是，氟化溶剂的还原已被证明有效地产生用于锂金属负极稳定的富含LiF的SEI。然而，上述氟化溶剂和锂盐的应用受到高成本、低环境相容性和长期储存不稳定性的限制。因此，实用的碳酸盐电解质工程的新策略对于稳定高能锂金属电池非常有必要。

本文研究的LiF纳米盒作为一种低成本、稳定且直接的氟离子供体，是电解质工程的有利组分，可在锂金属负极上形成氟化SEI层，LiF添加剂在一定程度上对稳定锂金属负极具有积极作用，但商业化LiF微粒在电解质中的溶解/分散有限，削弱了其使用效率。图1说明了活性多孔LiF纳米盒在电解质中的三个重要优点：（1）分级多孔LiF纳米盒可以在内部捕获大量电解质，使其以高浓度分散在电解质中（图1a）；（2）更重要的是，分级多孔LiF纳米盒的高表面积和多晶特性提供了许多暴露的 (111) 晶面与碳酸酯类溶剂相互作用，这促进了溶剂化LiF的释放（图 1b）；（3）溶剂化LiF的释放将导致形成高度氟化的SEI（图 1c）以在实际条件下实现锂金属负极的稳定循环。此外，活性多孔LiF纳米盒工程电解质可以实现实用的锂金属软包电池，使其在380 Wh kg^-1的高能量密度的条件下，循环高达86次且具有93%容量保持率。

图1.多孔LiF中电解质的示意图

图2.合成的分级多孔LiF纳米盒的表征

图3.电解质与多孔LiF之间的强烈相互作用

图4.分级多孔LiF纳米盒的Li沉积，SEI层的Cryo-TEM研究和XPS深度分析

图5.多孔LiF中电解质稳定锂金属负极的电化学性能

图6.软包电池性能

总之，本文报道了一种采用多孔LiF策略的电解质，可以诱导高度氟化的SEI层的形成。同时，分级多孔LiF纳米盒在电解质中具有高分散性，不会在电解质中沉淀出来，LiF纳米盒的高孔隙率可以使Li⁺均匀分布。高活性LiF纳米盒可以释放氟化物和锂离子，以加强氟化SEI层的形成。具体而言，通过使用10.5 wt%的多孔LiF纳米盒基电解质，在实际条件下实现了锂金属电池的良好循环，大容量(3.45 Ah) Li||NCM811 软包电池具有高能量密度（380 Wh kg^-1），其在86次循环后可保持93%的容量。本文的工作为稳定高能量密度锂金属电池提供了一种很有前景的电解质工程策略。（文：Doublenine）

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