鋰金屬電池憑借金屬鋰負極超高的理論比容量(3860 mAh/g)和極低的電化學(xué)還原電位(-3.04 V)，而被認為是最有潛力的下一代電池候選者,。然而目前基于鋰離子電池的碳酸酯基電解液體系與鋰金屬電池無法很好地兼容,，其根本原因在于目前的商業(yè)電解液無法在金屬鋰表面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）,。這種缺陷不僅會造成鋰枝晶的生長，導(dǎo)致電池爆炸,，還會嚴重影響鋰金屬電池的循環(huán)壽命,。如何在金屬鋰負極界面構(gòu)建同時具有高電子絕緣性、高離子電導(dǎo)率和高化學(xué)穩(wěn)定性的理想型SEI成為一項重大的挑戰(zhàn),。

圖1 本工作創(chuàng)新點和作用機理示意圖

為解決以上問題,，我校化材學(xué)院居治金特聘教授與華南理工大學(xué)嚴克友教授,、中科院物理所李泓教授,、浙江工業(yè)大學(xué)陶新永教授合作，首次提出了以m-Li2ZrF6納米顆粒作為電壓驅(qū)動型電解液添加劑的概念（圖1）,。研究表明,，在電場的驅(qū)動下，m-Li2ZrF6顆粒向電解液中大量釋放ZrF62-離子,，然后通過自發(fā)反應(yīng)在金屬鋰負極表面原位形成富含t-Li2ZrF6晶體的SEI,。DFT計算顯示t-Li2ZrF6晶體具有優(yōu)異的離子電導(dǎo)率，能夠在t-Li2ZrF6晶體內(nèi)部和t-Li2ZrF6/Li2O所構(gòu)成的晶界中,，為Li+提供快速遷移的通道,。基于t-Li2ZrF6組分獨特的物理化學(xué)性質(zhì),，富含t-Li2ZrF6的SEI具備了高離子電導(dǎo)率,、高電子絕緣性和高電化學(xué)穩(wěn)定性等理想型SEI必備的三大特征。此外,，富含t-Li2ZrF6的SEI中t-Li2ZrF6晶體表面豐富的親鋰位點還能夠促進金屬鋰的均勻沉積,，抑制鋰枝晶的產(chǎn)生。更重要的是憑借電壓驅(qū)動解離釋放ZrF62-功能離子特性,，m-Li2ZrF6添加劑不僅能夠改善傳統(tǒng)添加劑在循環(huán)中被耗盡的缺陷,，還能夠通過ZrF62-離子及時修復(fù)破損的富含t-Li2ZrF6的SEI，為金屬鋰負極的界面穩(wěn)定提供長期保護,?；谏鲜鰞?yōu)勢，m-Li2ZrF6納米添加劑能夠使鋰金屬電池在超高面積載量和超大電流密度下穩(wěn)定循環(huán)3000次,，且擁有>80%的容量保持率,。這項工作為金屬鋰負極界面保護研究提供了新的解決策略和材料,，同時也為鋰金屬電池的實際商業(yè)化應(yīng)用提供了可能。

相關(guān)研究成果以“Li2ZrF6-based electrolytes for durable lithium metal batteries”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature》上,。我?；膶W(xué)院居治金特聘教授為本文共同第一作者，溫州大學(xué)為第二署名單位,，承擔鋰金屬電池敏感界面的冷凍電鏡精細解析研究工作,。

原文連接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08294-z.