尿素辅助的硝酸锂溶解过程提升锂金属循环性能：实验与分子动力学研究

《Journal of Materials Chemistry A》：Urea-enhanced solubilization of lithium nitrate for improved lithium metal cycling: experimental and molecular dynamics investigation

锂金属电池电解液中硝酸锂溶解度低的问题通过尿素助溶解决，实验和模拟证实尿素增强硝酸锂溶解、抑制枝晶、稳定阴极，提升锂离子迁移率，使Li-Li电池循环超1400小时，Li-NMC811电池容量保持82.5%。

　　

锂金属电池（LMBs）具有较高的理论容量，但在传统碳酸盐电解质中面临诸如固体电解质界面形成不稳定和枝晶生长等挑战。尽管LiNO₃能够稳定锂离子，但其在中碳酸盐中的溶解度较低，限制了其应用。在本研究中，我们探讨了尿素作为LiNO₃在碳酸盐电解质中的增溶剂的作用。所使用的电解质为1.0 M LiPF₆（在碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯中的体积比为1:1），并添加了0.03 M LiNO₃和0.1 M尿素，以确保LiNO₃完全溶解。实验表征和分子动力学模拟表明，尿素通过氢键作用提高了LiNO₃的溶解度，实现了Li⁺和NO₃^?的均匀分布，调控了Li⁺的迁移速率从而抑制了枝晶的形成，并通过抑制LiPF₆的分解和氢氟酸（HF）的生成来稳定NMC811正极。实验结果与理论预测一致：室温下，Li⁺的迁移速率分别从1.54 × 10^?6 cm²s^?1增加到4.28 × 10^?6 cm²s^?1（对于仅含LiNO₃的电解质）和5.83 × 10^?6 cm²s^?1（对于含有LiNO₃和尿素的电解质）。这种协同效应使得Li|Li电池的循环寿命超过了1400小时，而Li|NMC811电池在200次循环后仍保持了82.5%的容量，并且具有较高的库仑效率。本研究提出了一种有效的策略，用于制备稳定的基于碳酸盐的锂金属电池。