第一作者：王瀚森
通訊作者：王瀚森，歐陽楚英
通訊單位：寧德時代21C創新實驗室
【成果簡介】
在鋰金屬電池中，電極|電解質界面發生的一系列副反應顯著影響了電池循環壽命。然而，目前尚未建立一個能夠合理解釋這些界面反應并對其進行定性和定量評估的全面觀點。
在此，寧德時代21C創新實驗室歐陽楚英，王瀚森團隊通過結合多種分析技術，系統地研究了含有醚基非水析電解液的鋰金屬電池中的界面反應，定量監測了各種納米尺度驅動的過程，例如鋰鹽和有機溶劑的還原與氧化路徑、固體電解質界面（SEI）物種的形成、電池內部的氣體生成以及電極之間的交叉反應過程。結果顯示，雙氟磺酰亞胺鋰鹽（LiFSI）的持續分解主導了界面反應，導致鋰離子的消耗，進而在電池放電過程中出現離子耗盡和電池失效。基于這些發現，作者提出了一種電解液配方，其中在不損害動態粘度和體相離子電導率的前提下，最大化LiFSI的含量，以實現長循環電池性能。基于這一策略，組裝并測試了鋰（20um）||LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（活性物質為17.1 mg/cm2）單層疊片式軟包電池，在貧電解液條件下（即2.1 g/Ah），在25 ℃下能夠有效維持483次充電（0.2C或28 mA）/放電（1C或140 mA）循環，展現出約77%的放電容量保持率。
相關研究成果以“Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries”為題發表在Nature Nanotechnology上。
【研究背景】
鋰金屬電池（LMBs）作為極具潛力的高能量電池化學體系之一，有望推動長續航電動汽車和電動航空的發展。許多公司，例如SES AI、Sion Power和Cuberg正在積極開發鋰金屬電池。然而，目前的鋰金屬電池性能尚未達到商業化要求，迫切需要基于技術的創新。由于可以直接應用于標準鋰離子電池生產線，非水系液態電解質的研究備受關注。例如（局部）高濃度電解液（LHCEs）和弱溶劑化電解液等電解液設計，展現出高負極穩定性，并且與高電壓正極材料（NMC811）具有良好的循環兼容性。它們還能促進形成無機的、陰離子衍生的固體電解質界面（SEI），使得采用無鋰工作電極和鋰對電極（例如Li||Cu電池）的電池實現了超過99.5%的鋰循環庫侖效率（CE）。通過合理設計電解液，可以最小化因形成電子絕緣的“死”金屬鋰而導致的活性鋰損失（LLI），從而提高鋰金屬電池的庫侖效率。然而，目前最先進的鋰金屬電池仍然存在顯著的LLI，主要由持續的SEI形成所主導，這需要進一步抑制。
【研究內容】
鋰金屬電池中SEI的功能和演變與采用石墨基負極的鋰離子電池不同。石墨顆粒能夠形成緊湊的SEI（cSEI），在長期電池循環過程中保持結構完整性（圖1a）。相比之下，由于鋰沉積/剝離過程中體積變化顯著，鋰金屬表面的cSEI會不斷破裂和重新形成（圖1b），導致殘留SEI（rSEI）的積累（圖1c、d）。因此，石墨||NMC811電池在長期循環過程中表現出容量衰減減緩的趨勢，而銅||NMC811電池則由于LLI的恒定速率而表現出急劇的容量衰減（圖1e）。因此，鋰離子電池的電解質開發主要集中在能夠分解形成表面鈍化SEI的添加劑上。相比之下，理想的鋰金屬電池非水電解質應具有高陰極穩定性，以盡量減少cSEI的形成，并且有足夠的SEI形成組分以維持長期電池循環過程中的SEI形成。這樣的設計需要對電解質消耗的界面反應有深入的理解。
在此，本文對鋰金屬電池的電極|電解質界面反應進行了系統研究，以指導合理的電解質設計，定量繪制了鋰金屬電池循環過程中電解質消耗和LLI的演變，以及它們的界面反應路徑。同時，證明了鋰離子在放電過程中的耗盡，源自于LiFSI的分解，這是鋰金屬電池容量衰減的主要原因。此外，還開發并測試了一種含有低分子量稀釋劑和高LiFSI質量百分比的定制電解質配方，該配方能夠在貧電解液條件下實現Li||NMC811單層疊片式軟包電池的有效長期循環。
圖1. 石墨和鋰金屬電極上SEI的演變以及定性和定量研究界面反應和產物的分析方法。
圖2. 量化Cu||NMC811電池循環過程中各種化學物質的消耗量。
圖3. 電池界面反應路徑及其與LMB的失效相關聯。
圖4. 在實際條件下設計用于長循環LMB的非水系電解液。
來源：能源學人
【文獻信息】
Hansen Wang?, Xiaolin Yan, Rupeng Zhang, Juanjuan Sun, Fuxiang Feng, Haoran Li, Jinding Liang, Yuchun Wang, Guangzhou Ye, Xiaonan Luo, Shengyuan Huang, Pan Wan, Samantha T. Hung, Fangjun Ye, Fangyun Chen, Erxiao Wu, Jinfei Zhou, Ulderico Ulissi, Xiaoming Ge, Chengyong Liu, Bo Xu, Na Liu, Chuying Ouyang?,Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries, Nature Nanotechnology, https://doi.org/10.1038/s41565-025-01935-y
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