中國(guó)粉體網(wǎng)訊 為了滿足下一代高比能電池的能量密度要求，具有高理論容量和低電化學(xué)電位的鋰金屬是未來(lái)可充電池（如Li-S和Li-FeF3）的理想負(fù)極。然而，負(fù)極鋰枝晶不可控生長(zhǎng)引起的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定、循環(huán)過(guò)程中鋰的體積膨脹以及“死鋰”的產(chǎn)生、電池短路等問(wèn)題，阻礙了鋰金屬電池（LMBs）的發(fā)展。自從采用LiF作為電解液添加劑增強(qiáng)SEI性能以來(lái)，鋰金屬電池的循環(huán)壽命和庫(kù)侖效率（CE）得到有效提高，這使得富氟材料受到特別關(guān)注。同時(shí)，氟原子具有強(qiáng)的吸電子性，氟摻雜還可擴(kuò)大電解質(zhì)的最高已占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）之間的差距，促進(jìn)電解質(zhì)的抗還原能力。因此，一些策略聚焦于誘導(dǎo)SEI中氟元素的富集以改善鋰金屬電池的性能，但目前的氟化策略仍面臨一些問(wèn)題，例如，含F(xiàn)的鋰鹽或添加劑必須降解或消耗，方能釋放出足夠含量的F，如此便造成了含F(xiàn)鋰鹽和添加劑的不可逆損失，如果沒(méi)有后續(xù)補(bǔ)充，電池性能將不可避免地衰減。此外，用氟化劑在鋰金屬表面進(jìn)行LiF層構(gòu)建的方法通常需要額外的制備工序，這在一定程度上會(huì)增加大規(guī)模應(yīng)用的成本，同時(shí)在表面氟化過(guò)程中可能會(huì)釋放出有毒氣體（F2或HF），環(huán)境條件要求嚴(yán)格。
基于目前含氟電解液添加劑和表面氟化策略面臨的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團(tuán)隊(duì)提出了一種“非消耗性”和“可流動(dòng)性”氟化界面的新概念，通過(guò)將一種全氟聚醚（PFPE）油滴分散到電極表面，以調(diào)控鋰離子沉積行為和穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極。與通常分散在電解液并在循環(huán)過(guò)程中被消耗的添加劑不同，該油滴可作為液體聚合物界面改性劑，與鋰負(fù)極和電解液接觸均不具有反應(yīng)性（非消耗性），從而可在不降級(jí)鋰離子擴(kuò)散率的條件下，持久地保護(hù)鋰負(fù)極，免于其與電解液發(fā)生副反應(yīng)，減少鋰鹽的損耗。相關(guān)研究成果發(fā)表在Energy & Environmental Science上。
該富含C-F基團(tuán)的PFPE（(CF(CF3)CF2O)x(CF2O)y）具有極性、低摩擦系數(shù)、良好潤(rùn)滑性、低表面能和高化學(xué)惰性等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)油滴對(duì)鋰金屬的“動(dòng)態(tài)”分層鋪設(shè)保護(hù)，并作為異相成核位點(diǎn)，可顯著降低鋰鍍層的成核過(guò)電勢(shì)（10mV，1mAcm-2）。該種油滴的低表面能有利于C-F結(jié)構(gòu)單元在鋰負(fù)極表面的分散吸附以及抑制隨后電沉積過(guò)程中的鋰枝晶生長(zhǎng)，由于其出色的可鋪展性，極少量的PFPE油滴即可產(chǎn)生顯著的穩(wěn)定鋰負(fù)極形變的效果。鑒于氟化油滴的優(yōu)異流動(dòng)性和惰性，其易填充到金屬電極表面凹低處以覆蓋不平坦的鋰-電解質(zhì)界面，實(shí)現(xiàn)鋰沉積過(guò)程中電極表面“熱點(diǎn)”（hot-spots）區(qū)域的動(dòng)態(tài)愈合，這一填充行為不降級(jí)鋰離子滲透性和鋰成核動(dòng)力學(xué)。在電化學(xué)過(guò)程中，PFPE中間層可以很好地分隔電解液和鋰負(fù)極，能夠靈活變形以適應(yīng)鋰的沉積形態(tài)，從而為新形成的SEI提供進(jìn)一步保護(hù)。在SEI表面修飾富含C-F的官能團(tuán)有利于提高其LUMO能級(jí)，在電場(chǎng)作用下，鋰表面附近的PFPE分支的邊緣區(qū)域可碎裂以促進(jìn)C-F和Li-F成分的界面富集，增強(qiáng)SEI的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性和電化學(xué)穩(wěn)定性，從而有利于鋰電鍍層的致密化（從馬賽克鋪磚堆疊到無(wú)枝晶的緊密互連的網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)）。這一氟化流體策略有助于顯著提高NMC811/Li等全電池的循環(huán)壽命（超過(guò)700個(gè)循環(huán)）和倍率性能（高達(dá)10C）。該研究通過(guò)使用不混溶的氟化液體中間層作為永久性調(diào)節(jié)劑，為實(shí)現(xiàn)高性能鋰金屬電池提供了新途徑。
上海硅酸鹽所在讀博士生楊啟凡為論文第一作者。研究工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
論文連接https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D0EE03952G#!divAbstract
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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