曹瑞国/焦淑红等JACS：-30℃低温锂金属电池！

第一作者：Xinpeng Li、Menghao Li、Yue Liu

通讯作者：曹瑞国、焦淑红、M. Danny Gu、程涛

通讯单位：中国科学技术大学，东方理工高等研究院，苏州大学

论文速览

因在充/放电过程中出现严重的锂枝晶生长，低温锂金属电池（LMBs）的发展遇到了重大挑战。迄今为止，由于高反应性锂金属阳极和有机电解液之间复杂的相互作用，锂枝晶形成的确切原因仍然是一个谜。本研究针对低温锂金属电池（LMBs）在充放电过程中锂枝晶生长的问题，揭示了局部高浓度电解液（LHCEs）的界面脱氟动力学在调控锂枝晶形成中的关键作用。通过使用四氢呋喃（THF）和2-甲基四氢呋喃（2-MeTHF）作为对比溶剂，研究发现基于THF的LHCE因其强溶剂化能力，展现出快速的界面脱氟反应动力学，从而促进了无定形且富含无机物的固体电解质界面（SEI）的形成，有效抑制了锂枝晶的生长。这一发现为低温LMBs的电解液界面反应动力学提供了重要的见解，并为电解液化学在LMBs中的基本理解提供了宝贵的信息。

图文导读

图1：两种电解液在-30°C下的电化学性能。

图2：在-30°C下形成的SEI的冷冻透射电子显微镜(Cryo-TEM)图像。

图3：电解液的溶剂化结构和SEI形成过程中的界面反应。

图4：基于HAIR-MD模拟提出的(a) LiFSI/2-MeTHF/TTE和(b) LiFSI/THF/TTE电解液的分解反应机制。

总结展望

本研究的亮点在于揭示了快速界面脱氟反应动力学在低温LMBs中的关键作用。通过Cryo-TEM分析，发现基于THF的LHCE能够形成无定形且富含无机物的SEI结构。MD模拟显示，强溶剂化能力的THF基LHCE在锂金属表面展现出快速的界面脱氟反应动力学，有效抑制了枝晶锂的生长。实验数据显示，使用LiFSI/THF/TTE电解液的锂金属负极具有约99.63%的高库仑效率和无枝晶的锂沉积形貌，即使在-30°C的低温下也能实现稳定的循环。这项工作不仅加深了人们对溶剂化结构与锂沉积形貌之间相互作用的理解，而且为低温锂金属电池的电解液设计提供了重要的指导。

文献信息

标题：Fast Interfacial Defluorination Kinetics Enables Stable Cycling of Low-Temperature Lithium Metal Batteries

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.3c14667