Nature：强强联合，开发高效稳定锂金属电池！

一、【科学背景】

锂（Li）金属电池（LMBs）有望成为高能量密度可充电电池。然而，高活性锂与非水电解质反应形成的Li枝晶会导致安全问题和快速容量衰减。锂金属负极上固体电解质界面（SEI）的改性对于抑制Li枝晶的形成至关重要。大量的研究工作致力于创造一种具有高离子电导率、优异的电子绝缘性能和宽电化学稳定性窗口的理想SEI，包括开发电解质添加剂和人工保护层。这些策略旨在增加SEI中氟化锂（LiF）的含量。然而，LiF的离子电导率较低，Li⁺的扩散势垒相对较高（0.73eV），导致LMBs的倍率性能降低，特别是在高面积容量和高速率充放电条件下。因此，开发可靠的SEI对于实现高效率和长寿命的LMBs至关重要。

二、【创新成果】

基于以上挑战，中国科学院物理研究所李泓研究员、浙江工业大学陶新永教授、华南理工大学严克友教授、北京航空航天大学郭林教授等人联合在Nature上发表了题为“Li₂ZrF₆-based electrolytes for durable lithium metal batteries”的论文，报道了在商用含LiPF₆的LMBs碳酸盐电解质中添加过量的m-Li₂ZrF₆（单斜晶系）纳米颗粒有助于在施加电压的驱动下将丰富的ZrF₆^2-离子释放到电解质中，转化为t-Li₂ZrF₆（三角晶系），并在原位形成具有高锂离子电导率的稳定SEI。理论计算和低温TEM研究表明，富t-Li₂ZrF₆ SEI的原位形成显著增强了Li⁺的转移，抑制了Li枝晶的生长。因此，用LiFePO₄正极（面积负载，1.8/2.2 mAh cm^-2）、三维锂碳负极（50 µm厚的锂）和Li₂ZrF₆基电解质组装的LMB在3000次循环（1C/2C倍率）后显示出极大的循环稳定性和高容量保持率（>80.0%）。这一成就代表了领先的性能，在实际的高速率条件下，为耐用的LMBs提供了可靠的Li₂ZrF₆基电解质。 

图1  t-Li₂ZrF₆-rich SEI的理论基础 © 2025 Springer Nature

图2  t-Li₂ZrF₆-rich SEI的表征 © 2025 Springer Nature

图3  Li–C||LFP电池的电化学性能 © 2025 Springer Nature

图4  m-Li₂ZrF₆纳米颗粒的作用机制 © 2025 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究使用m-Li₂ZrF₆纳米颗粒作为电解质添加剂可以通过在锂负极表面形成坚固的双功能富t-Li₂ZrF₆-SEI来显著提高LMBs的性能。从理论和实验上证明了富t-Li₂ZrF₆-SEI在高速率和实际条件下稳定锂负极的有效性。t-Li₂ZrF₆的绝缘性能强烈阻断了电子隧穿，从而抑制了LMBs循环过程中的电解质分解。此外，富t-Li₂ZrF₆的SEI上优异的Li⁺传输特性和丰富的亲锂位点显著提高了Li⁺迁移速率，抑制了Li枝晶的生长。更重要的是，施加电压驱动的m-Li₂ZrF₆纳米晶体的解离在电解质中保持了特定浓度的功能离子（ZrF₆^2-），确保了快速修复循环对富含t-Li₂ZrF₆的SEI造成的任何损伤，大大延长了LMBs的循环寿命。这项工作报告了一种可靠的Li₂ZrF₆基电解质，用于在实际高速率条件下耐用的LMBs。

原文详情：Li₂ZrF₆-based electrolytes for durable lithium metal batteries (Nature 2025, 637, 339-346)

本文由大兵哥供稿。