image: 图1. 电解液设计策略。（a-c）不同电解液中锂离子在界面迁移的活化能。PFE（d）和PAFE（e）中形成的电极/电解质界面示意图。（f）BE和PAFE电解液的可燃性测试。BE（g）和PAFE（h）中形成的SEI和CEI的保护机制。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
锂金属电池因其高比容量和低电化学电位被视为下一代高能电池的理想选择。然而，其在高电压（尤其是超过4.4 V）运行时极不稳定，容易形成不均匀、不稳定的电极/电解质界面，导致枝晶生长、容量衰减和安全隐患，严重制约了其商业化进程。
近日，中山大学材料科学与工程学院雷丹妮教授、王成新教授团队构建了一种三元复合电解液添加剂体系（PAFE），有效解决了上述关键问题。相关成果发表在《国家科学评论》（National Science Review）上。研究表明，该新型电解液体系使锂金属电池在高达4.7 V的截止电压下实现了稳定循环。
PAFE电解液体系将乙醇铝（Al(EtO)3）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）和乙氧基（五氟）环三磷腈（PFPN）引入碳酸酯基电解液中，通过原位反应形成三维交联聚合网络。这一网络能够诱导无机组分（LiF、Li3N、Li3P、Al2O3）在电极/电解质界面（SEI/CEI）中均匀沉积，显著降低锂离子在界面迁移的活化能（最低可达48 kJ/mol），提升锂离子流的均匀性和离子传输效率，减少内部应力，并有效抑制锂枝晶的生长。此外，PFPN添加剂还增强了电解液的阻燃性能，进一步提升了电池的安全性。
在采用商用高镍NCM811正极和锂金属负极的全电池测试中，使用PAFE电解液的Li||NCM811全电池在4.7伏下循环140次后容量保持率仍高达80%。同时，1 Ah软包电池在高电压运行条件下也表现出优异的循环稳定性，且无明显的鼓包现象。
这项研究表明，通过精确调控电解液中的添加剂反应，可以在电池运行初期就“设计好”所需的界面结构。这不仅改善了锂金属电池在高电压下的性能，也为未来构建更高电压、更高能量密度的系统提供了可借鉴的界面策略。
在实际应用层面，PAFE体系材料易得、合成方法简单，可兼容现有电池制造工艺，具备良好的工程放大前景。
将“添加剂”这颗小螺丝钉调得精准有力，便可撬动锂金属电池这个庞大系统的稳定性提升。这正是PAFE体系的亮点所在：以微观结构优化促进宏观性能跃升，为高能量密度储能器件的发展打下坚实基础。
这项成果已发表于《国家科学评论》（National Science Review），原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf182