導讀：本文通過理論計算計算和實踐測試，證明採用醯胺基電解液可以更好的改善金屬鋰電池電化學反應提高電化學性能，並通過有限元模擬等手段，對電池界面的反應過程機理進行了分析研究。該研究對於金屬鋰電池的商業化應用具有重要意義，為電解液與鋰負極之間的界面反應提供了新的見解與參考。
雖然近幾年學者們對鋰金屬電池進行了深入的研究，但金屬鋰負極與電極液之間的副反應導致的枝晶生長依舊是阻礙其大規模商業化生產的核心難點。了解電極與電解液之間的界面化學反應已成為進一步開發高性能金屬鋰電池的關鍵。
近日，清華大學深圳研究院的李寶華教授及其團隊針對這一問題，提出使用醯胺基溶液作為金屬鋰電池的電解液。並通過一系列的表徵和模擬，對金屬鋰與電解液之間的界面化學反應進行了深入的分析和研究，為後續電解液的研發提供了新的思路。相關論文以題為「Interface chemistry of an amide electrolytefor highly reversible lithium metal batteries」在Nature Communications上發表。
論文連結：
由於對高能量密度儲能系統的要求越來越高，研發不同於現在商用的鋰離子電池的儲能系統已成為必然之舉。鋰金屬電池擁有高達3860 mA h g-1的理論比容量和較低的氧化還原電勢，與現有的石墨電極相比優勢巨大。但是鋰金屬電池中金屬鋰負極與高活性的有機電解液之間會發生複雜的副反應，反應分解的產物覆蓋在意電極上形成固態界面質膜（SEI）。而不穩定的SEI膜也是造成鋰金屬電池庫倫效率低、循環穩定性差、枝晶生長等問題的主要原因。確保一個穩定、離子導電性好SEI膜的形成已成為提高鋰金屬電池電化學性能的關鍵問題。
本文作者針對上述問題，基於構建穩定和高離子導電性的界面研究，以鋰金屬為負極、811（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）為正極，設計了具有良好電化學性能的新型醯胺基電解液。該電解液由1 M 二(三氟甲基磺醯)亞胺鋰（LiTFSI）溶於2,2,2-三氟-N,N-二甲基乙醯胺和氟代碳酸乙烯酯的混合溶液（體積比FDMA: FEC=1:1）。該電解液在Li||Cu電上而下池中庫倫效率可達到99.3%以上，並在Li||Li電池中也可以實現超長的循環穩定性。並且與傳統電解液體系不同，該電解液中Li金屬的主要由上而下剝離發生Li，可以有效緩解鋰枝晶的形成，提高庫倫效率。在所組裝的全電池中，即使在正極高負載情況下循環500圈後，容量保持率依舊高於88%。
總的來說，作者選擇醯胺基構建了新型電解液體系，並通過原位光學顯微鏡和有限元模擬等手段，對於金屬Li的沉積和剝離過程進行了分析研究。受益於穩定的界面化學結構，金屬Li的剝離呈現自上而下的逐漸剝離的過程，對於枝晶的生長起到了明顯的抑制作用，開拓了人們對於金屬鋰電池界面反應過程的認識。（文：Today）
圖1 不同電解液材料的分子軌道能量和可能的分解途徑。
圖2 兩種電解液在Li||Cu電池中Li沉積/剝離測試結果。
圖3 Li負極充放電過程有限元模擬結果
圖4 以金屬Li為負極，811為正極組裝的全電池的電化學性能測試結果。
本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。