中南大学吴飞翔AFM: 突破！甲基包覆气相二氧化硅赋能锂电池长效高压稳定运行

研究背景

锂电池电解液的挑战：传统碳酸酯基电解液在高压下，因界面不稳定和自身持续降解，难以维持电化学稳定性。

电解液工程的进展：虽有通过添加含氟添加剂、改变锂盐浓度等方法改进，但存在成本高、环境影响大及长期储存不稳定等问题。

本研究的创新点：通过简单耦合 MFS 到传统碳酸酯电解质中，开发出具有弱 Li⁺溶剂化环境的胶体电解质（WCE），用于高压锂电池。

实验结果

胶体电解质的物理化学表征：MFS 与非水溶剂具有兼容性，可形成稳定的胶体溶液。WCE 展现出更宽的电压窗口、更高的抗氧化性、更快的 Li⁺传输动力学。此外，MFS 能抑制 PF₆⁻与 H₂O 的反应，改变 Li⁺化学环境及电解质的溶剂化结构。

胶体电解质的自净化能力：理论计算与实验表明，MFS 能抑制 PF₅水解，与 HF 发生反应，从而实现电解液的自净化，稳定电极 / 电解液界面，提升电池的可持续性。

胶体电解质的 Li⁺溶剂化结构：拉曼光谱、FTIR 和分子动力学模拟显示，WCE 促使更多 PF₆⁻参与 Li⁺溶剂化壳层，减少溶剂分子的参与，形成弱 Li⁺溶剂化结构，利于形成富 LiF 的 SEI，稳定阳极界面。同时，MFS 相关分子较高的 HOMO 能级有助于在阴极表面优先形成 CEI，抑制电解液对阴极的腐蚀。

胶体电解质对锂阳极的影响：DFT 模拟表明，MFS 使 Li⁺在阳极上分布更均匀，减轻锂枝晶的形成。Li||Li 对称电池等测试显示，WCE 降低了 Li⁺沉积过电位，抑制了锂枝晶生长，稳定了锂沉积 - 剥离过程，增强了锂金属阳极（LMA）的稳定性。

Li||LCO 电池的电化学性能：含不同 MFS 含量的胶体电解质测试显示，0.04 g mL⁻¹ 固体含量的电解质性能最佳。在不同截止电压下，WCE 均显著提升 Li||LCO 电池的循环性能和倍率性能，即使在高电压、高负载及含 H₂O 等苛刻条件下，仍展现出卓越的稳定性和可逆性。

胶体电解质实现可持续的电极 / 电解质界面：SEM、XPS 和 HR - TEM 等表征显示，WCE 有效抑制了锂枝晶形成和死锂积累，减少了过渡金属溶解，抑制了 LCO 阴极的相转变，通过形成富 LiF 的 SEI 和富 Li₂CO₃的 CEI，显著提升了电极 / 电解质界面的可持续性。

研究结论：本研究设计的多功能胶体电解质，通过去除电解液中的痕量 H₂O 和有害副产物 HF，促进富 LiF 的 SEI 和富 Li₂CO₃的 CEI 形成，同时稳定 LCO 阴极、LMA 和电解液，展现出卓越的可持续性，为稳定的高压、高能量锂电池设计提供了有效途径。

图文简介

a) 多功能胶体电解质的可持续性：实现稳定的电极 / 电解质界面，以及通过自净化作用去除氟化氢（HF）和水（H₂O）。b) 传统碳酸酯电解质面临的挑战：强溶剂化锂离子（Li⁺）导致电极 / 电解质界面不稳定、产生氟化氢副产物、正极材料开裂以及过渡金属溶出。

传统碳酸酯电解质（CCE）与具有弱溶剂化环境的胶体电解质（WCE）的物理化学表征

可持续胶体电解质的自净化功能

室温下，采用可持续胶体电解质的 Li||LCO 电池具有卓越的电化学性能

论文信息

通讯作者：Feixiang Wu