一、強強【科學背景】

鋰（Li）金屬電池（LMBs）有望成為高能量密度可充電電池。聯合鋰金料牛然而，高效高活性鋰與非水電解質反應形成的穩定Li枝晶會導致安全問題和快速容量衰減。鋰金屬負極上固體電解質界面（SEI）的屬電改性對于抑制Li枝晶的形成至關重要。大量的池材研究工作致力于創造一種具有高離子電導率、優異的強強電子絕緣性能和寬電化學穩定性窗口的理想SEI，包括開發電解質添加劑和人工保護層。聯合鋰金料牛這些策略旨在增加SEI中氟化鋰（LiF）的高效含量。然而，穩定LiF的屬電離子電導率較低，Li⁺的池材擴散勢壘相對較高（0.73eV），導致LMBs的強強倍率性能降低，特別是聯合鋰金料牛在高面積容量和高速率充放電條件下。因此，高效開發可靠的SEI對于實現高效率和長壽命的LMBs至關重要。

二、【創新成果】

基于以上挑戰，中國科學院物理研究所李泓研究員、浙江工業大學陶新永教授、華南理工大學嚴克友教授、北京航空航天大學郭林教授等人聯合在Nature上發表了題為“Li₂ZrF₆-based electrolytes for durable lithium metal batteries”的論文，報道了在商用含LiPF₆的LMBs碳酸鹽電解質中添加過量的m-Li₂ZrF₆（單斜晶系）納米顆粒有助于在施加電壓的驅動下將豐富的ZrF₆^2-離子釋放到電解質中，轉化為t-Li₂ZrF₆（三角晶系），并在原位形成具有高鋰離子電導率的穩定SEI。理論計算和低溫TEM研究表明，富t-Li₂ZrF₆SEI的原位形成顯著增強了Li⁺的轉移，抑制了Li枝晶的生長。因此，用LiFePO₄正極（面積負載，1.8/2.2 mAh cm^-2）、三維鋰碳負極（50 μm厚的鋰）和Li₂ZrF₆基電解質組裝的LMB在3000次循環（1C/2C倍率）后顯示出極大的循環穩定性和高容量保持率（>80.0%）。這一成就代表了領先的性能，在實際的高速率條件下，為耐用的LMBs提供了可靠的Li₂ZrF₆基電解質。?

圖1? t-Li₂ZrF₆-rich SEI的理論基礎? 2025 Springer Nature

圖2? t-Li₂ZrF₆-rich SEI的表征? 2025 Springer Nature

圖3? Li–C||LFP電池的電化學性能? 2025 Springer Nature

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圖4? m-Li₂ZrF₆納米顆粒的作用機制? 2025 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究使用m-Li₂ZrF₆納米顆粒作為電解質添加劑可以通過在鋰負極表面形成堅固的雙功能富t-Li₂ZrF₆-SEI來顯著提高LMBs的性能。從理論和實驗上證明了富t-Li₂ZrF₆-SEI在高速率和實際條件下穩定鋰負極的有效性。t-Li₂ZrF₆的絕緣性能強烈阻斷了電子隧穿，從而抑制了LMBs循環過程中的電解質分解。此外，富t-Li₂ZrF₆的SEI上優異的Li⁺傳輸特性和豐富的親鋰位點顯著提高了Li⁺遷移速率，抑制了Li枝晶的生長。更重要的是，施加電壓驅動的m-Li₂ZrF₆納米晶體的解離在電解質中保持了特定濃度的功能離子（ZrF₆^2-），確保了快速修復循環對富含t-Li₂ZrF₆的SEI造成的任何損傷，大大延長了LMBs的循環壽命。這項工作報告了一種可靠的Li₂ZrF₆基電解質，用于在實際高速率條件下耐用的LMBs。

原文詳情：Li₂ZrF₆-based electrolytes for durable lithium metal batteries (Nature2025, 637, 339-346)

本文由大兵哥供稿。