华科/物理所PNAS：氟氰基电解质设计用于无负极锂金属电池

氟代溶剂在高能锂金属电池的电解液工程中取得了巨大成功，但其存在溶剂化功率低、热和化学不稳定性以及造成电池膨胀等问题。

在此，华中科技大学王成亮、毛明磊，中国科学院物理研究所索鎏敏等人引入氰作为吸电子基团以增强醚溶剂的氧化稳定性，其中氰和醚氧会与Li+形成螯合结构，但不会显着损害溶剂化能力。氰基与NCM811正极的过渡金属(TM) 牢固结合，减弱 TM 对本体电解质的催化反应。此外，稳定均匀的正极电解质界面（CEI）抑制了电解质的氧化分解，保证了NCM811正极的结构完整性。该电解质中的含氮和富含LiF的固体电解质中间相（SEI）有利于快速Li+迁移和致密的Li沉积。结果显示，该电解质使锂金属负极能够稳定循环100次且库仑效率达到98.4%， 4.3 V NCM811 正极在 200 次循环后仍保留 81.8% 的容量。无负极软包电池在100次循环后仍保持76%的容量，对应的能量密度为397.5 Wh kg-1。

图1. DFT计算

总之，该工作提出了一种氰基取代醚--乙二醇双（丙腈）醚（AN2-DME）溶剂，其中溶剂中的氰基抑制了醚氧孤对电子的损失，增强了醚基电解质氧化稳定性。AN2-DME/FEC/TTE 电解质中的1 M LiPF6与FEC和TTE搭配使用，有助于形成含N和富含LiF的SEI以及稳定均匀的正极-电解质界面。结果显示，该工作实现了锂金属负极和 4.3 V NCM811 正极的稳定循环。无负极软包电池在 100 次循环后可提供 397.5 Wh kg-1 的高能量，容量保持率为 76%。因此，该项工作将启发电池界采用氰基溶剂取代氟代溶剂，进而推动锂金属电池的发展。

图2. 电池性能

Electrolyte design combining fluoro- with cyano-substitution solvents for anode-free Li metal batteries， Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2024 DOI: 10.1073/pnas.2316212121