【美能鋰電】觀察：隨著電動(dòng)汽車(chē)對(duì)續(xù)航里程和充電速度的要求不斷提高，傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度和快充能力逐漸接近理論極限。鋰金屬電池（LMBs）因其極高的理論容量而被視為下一代高能量密度電池的終極選擇。然而，鋰金屬負(fù)極在快充條件下的不穩(wěn)定性和鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

近日，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的Hee-Tak Kim團(tuán)隊(duì)在Nature Energy期刊上發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究，系統(tǒng)闡述了實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池快充的關(guān)鍵電解質(zhì)設(shè)計(jì)原則，并成功在3-4C高倍率下實(shí)現(xiàn)了平坦致密的鋰沉積，為快充鋰金屬電池的商業(yè)化應(yīng)用指明了方向。

快充界面失效挑戰(zhàn)

Millennial Lithium

研究表明，即使在慢速充電（0.2C）下能形成良好固體電解質(zhì)界面（SEI）的先進(jìn)電解質(zhì)（如LiFSI DME:TTE LHCE和LiDFOB/LiBF?FEC:DEC電解質(zhì)），在4C快充條件下也遭遇了嚴(yán)重失效。

失效表現(xiàn)為：

容量急劇衰減：電池循環(huán)壽命大幅縮短。

鋰沉積惡化：快充導(dǎo)致鋰沉積形態(tài)變得多孔、苔蘚狀，而非致密。

SEI結(jié)構(gòu)改變：慢充形成的均勻、富含無(wú)機(jī)物的SEI層，在快充下轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、有機(jī)成分更多、且無(wú)機(jī)微晶（如LiF）發(fā)生粗化（團(tuán)聚變大） 的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

核心發(fā)現(xiàn)：快充性能衰退的關(guān)鍵并非通常認(rèn)為的鋰離子傳輸限制，而在于高速沉積過(guò)程中無(wú)法形成均勻、穩(wěn)定的SEI，尤其是其中無(wú)機(jī)組分的嚴(yán)重團(tuán)聚。

陰離子選擇決定SEI均勻性

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研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列以四氫吡喃（THP） 和氟代碳酸乙烯酯（FEC） 為溶劑的基礎(chǔ)電解質(zhì)，并通過(guò)系統(tǒng)改變主鹽中的陰離子（X?= AsF??, PF??, FSI?, TFSI?, ClO??, BF??, DFOB?, NO??）來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究。

不同陰離子對(duì)SEI微晶尺寸及鋰沉積形貌的影響

研究發(fā)現(xiàn)，SEI中LiF等無(wú)機(jī)微晶的尺寸、鋰沉積的致密程度以及電池的快充循環(huán)壽命，都與所采用的陰離子類(lèi)型呈現(xiàn)出極強(qiáng)的規(guī)律性：

弱配位陰離子（如AsF??, PF??） → SEI中LiF微晶尺寸小、分布均勻→ 鋰沉積更致密→ 電池快充循環(huán)壽命長(zhǎng)

強(qiáng)配位陰離子（如NO??, DFOB?） → SEI中LiF微晶尺寸大、易團(tuán)聚→ 鋰沉積疏松多孔→ 電池快充循環(huán)壽命短

機(jī)理揭示：表面電荷抑制團(tuán)聚

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為什么陰離子會(huì)影響SEI中無(wú)機(jī)物的團(tuán)聚？團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了背后的科學(xué)原理。

MD模擬揭示陰離子通過(guò)調(diào)節(jié)LiF團(tuán)簇表面電荷影響其聚結(jié)行為的機(jī)理

過(guò)飽和與沉淀：在電極界面，電解質(zhì)分解產(chǎn)生的LiF等產(chǎn)物處于高度過(guò)飽和狀態(tài)，會(huì)迅速成核并形成納米團(tuán)簇。

陰離子調(diào)節(jié)表面電荷：

使用弱Li?配位陰離子（如AsF??）時(shí)，它們不易吸附到LiF團(tuán)簇表面。反而是電解液中的Li?更容易優(yōu)先結(jié)合到團(tuán)簇表面，導(dǎo)致LiF團(tuán)簇表面帶正電荷。

這些帶同種電荷的團(tuán)簇之間會(huì)產(chǎn)生靜電排斥力，有效抵抗范德華吸引力，從而抑制了團(tuán)簇的碰撞、聚結(jié)和長(zhǎng)大，最終形成細(xì)小而均勻的無(wú)機(jī)相。

使用強(qiáng)Li?配位陰離子（如NO??）時(shí)，它們會(huì)強(qiáng)烈地吸附到LiF團(tuán)簇表面的Li?位點(diǎn)上，使得團(tuán)簇表面電荷近乎中性。

失去靜電排斥的保護(hù)后，團(tuán)簇之間僅靠范德華力吸引，會(huì)迅速聚結(jié)并粗化，形成大的無(wú)機(jī)顆粒，導(dǎo)致SEI不均勻。

性能驗(yàn)證：軟包電池展現(xiàn)應(yīng)用潛力

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基于此原理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化電解質(zhì)配方。為避免使用有毒的AsF??，他們引入了四苯基硼酸根（BPh??） 陰離子。BPh??具有大尺寸和離域負(fù)電荷，與Li?結(jié)合能力更弱。

電解質(zhì)的實(shí)際適用性

優(yōu)化后的LiBPh?電解質(zhì)（0.6 M LiPF?+ 0.2 M LiBPh?+ 0.4 M LiTFSI in THP:FEC）表現(xiàn)優(yōu)異：

更高的SSL比率（94%）

更強(qiáng)的LiF團(tuán)簇表面正電荷（+3.4 e）

更長(zhǎng)的團(tuán)簇聚結(jié)時(shí)間（2955 ps）

更細(xì)小均勻的SEI LiF微晶（D??: 2.3-2.9 nm）

更致密的鋰沉積（11.4 μm @ 2.1 mAh cm?2）

在高能量密度（386 Wh kg?1）軟包電池的測(cè)試中，該電解質(zhì)在3C快充條件下循環(huán)120次后仍能保持76%的容量，顯著優(yōu)于基準(zhǔn)電解質(zhì)。

這項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)認(rèn)知，明確指出：

實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池快充的關(guān)鍵，在于控制SEI中無(wú)機(jī)組分的納米結(jié)構(gòu)，防止其團(tuán)聚粗化。而電解質(zhì)的核心設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，是選擇弱Li?配位的陰離子，利用靜電排斥穩(wěn)定納米顆粒。

該工作不僅為快充鋰金屬電池的電解質(zhì)設(shè)計(jì)提供了清晰的理論指導(dǎo)和可行的解決方案（吡喃溶劑+弱配位陰離子），也展現(xiàn)了鋰金屬電池在快充領(lǐng)域巨大的商業(yè)化應(yīng)用潛力。

作為專(zhuān)注于鋰電技術(shù)前沿的觀察者與傳播者，【美能鋰電】持續(xù)關(guān)注并分享此類(lèi)基礎(chǔ)研究的重大突破。我們深信，每一次技術(shù)的革新都將推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向前邁進(jìn)。

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原文參考：Regulating the nanocrystallinity of solid-electrolyte interphases for fast-charging lithium-metal batteries. Nat Energy (2025).