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为解决锂金属电池（LMB）中电解液与锂金属界面稳定性差等问题，研究人员开展了压缩溶剂化结构电解液的研究。结果表明，该电解液可使 Li||Cu 电池库仑效率超 99.9%，Li 金属软包电池比能量达 510.3 Wh kg，意义重大。
在当今的电池研究领域，锂金属电池（LMB）凭借其超高的理论能量密度，成为了科研人员眼中实现高能量密度化学电源的 “潜力股”，有望突破 500 Wh/kg 的能量大关，为电子产品、电动汽车等领域带来革命性的变化。然而，理想很丰满，现实却很骨感。锂金属负极（LMN）极低的氧化还原电位（?3.04 V vs. 标准氢电极），使其如同一个 “活跃分子”，极易与电解液发生剧烈的化学反应。这不仅导致了锂电镀和剥离过程的可逆性大打折扣，还使得电解液不断被消耗，就像一个无底洞，吞噬着电池的性能。在实际应用中，贫电解液和有限的锂储量更是雪上加霜，加速了 LMB 的衰败，让其商业化进程困难重重。
面对这些棘手的问题，南京大学的研究人员勇挑重担，展开了一场探索之旅。他们聚焦于电解液的优化设计，致力于找到一种能够驯服锂金属负极的方法。最终，他们发现了一种超饱和电解液，通过压缩溶剂化结构，成功实现了锂金属电极库仑效率突破 99.9% 的壮举。这一成果发表在《Nature Communications》上，犹如一颗璀璨的星星，为锂金属电池的发展照亮了前行的道路。
研究人员在这场探索中运用了多种先进的技术方法。分子动力学（MD）模拟从微观层面揭示了电解液中离子的分布情况；7Li 核磁共振（NMR）光谱和广角 X 射线散射（WAXS）则用于深入分析电解液的溶剂化结构；循环伏安法（CV）、恒电流充放电测试以及电化学阻抗谱（EIS）等电化学测试手段，精准地评估了电解液与锂金属负极的兼容性、锂电镀 / 剥离的可逆性以及电池的长期稳定性；扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和 X 射线光电子能谱（XPS）等微观表征技术，让研究人员得以窥探锂金属界面的微观世界，了解固体电解质界面（SEI）的组成、结构和性能。
电解质设计和溶剂化结构分析：研究人员精心设计了一种由 2 M 双（氟磺酰）亚胺锂（LiFSI）溶解在体积比为 1:7 的二甲氧基乙烷（DME）和 2,2 - 二氯二乙醚（ClDEE）混合溶剂中的电解液（记为 Cl 7 电解液）。MD 模拟显示，在 Cl 7 电解液中，FSI?与 Li?的配位作用显著增强，ClDEE 紧密排列在 Li?初级溶剂化壳外层，形成了压缩的结构。7Li NMR 光谱和 WAXS 结果也证实，Cl 7 电解液中形成了更小、更紧密的溶剂化簇。这表明，Cl 7 电解液独特的溶剂化结构为后续优异的性能奠定了坚实的基础。
电解液的还原稳定性和 LMN 的可逆性：通过 CV 测试发现，Cl 7 电解液的还原行为受到极大抑制，在 Li||Cu 电池中的腐蚀电流迅速下降，漏电流极小，展现出卓越的稳定性和快速的钝化能力。Li||Cu 电池的库仑效率（CE）测试结果更是令人惊喜，Cl 7 电解液的平均 CE 在 500 次循环中高达 99.48%，在改良的 Aurbach 测试中甚至超过 99.9%。Li||Li 对称电池测试显示，使用 Cl 7 电解液的电池在 1 mA/cm2 和 3 mAh/cm2 条件下，循环寿命超过 2000 h，远超使用 2 M 和 10 M 电解液的电池。这些结果充分证明了 Cl 7 电解液与 LMN 的良好兼容性以及对锂电镀 / 剥离可逆性的显著提升。
锂金属界面分析和堆积形态：XPS 分析发现，Cl 7 电解液形成的 SEI 中，FSI?阴离子的还原产物 Li?S 占主导，且含有更多的 Li?O，有机溶剂还原产生的有机物比例明显降低。cryo - TEM 和 AFM 表征显示，Cl 7 电解液形成的 SEI 薄且均匀，富含均匀分布的 LiF 和 Li?O 纳米晶体，表面光滑，机械强度高。SEM 观察到，在 Cl 7 电解液中，锂的沉积形态平整、致密，在电镀和剥离过程中能保持良好的结构稳定性，有效减少了锂的损耗。这一系列结果表明，Cl 7 电解液能促进阴离子的深度还原，形成性能优异的 SEI，从而优化锂金属的沉积行为。
锂金属全电池的电化学性能：在 Li||NCM811 全电池测试中，使用 Cl 7 电解液的电池展现出出色的循环稳定性和高倍率放电性能。在苛刻的条件下，如超薄 LMN（20 μm）和高负载正极（2.5 mAh/cm2 和 3.8 mAh/cm2），Cl 7 电解液的全电池循环寿命远超 2 M 和 10 M 电解液的电池。SEM 和 EIS 分析表明，Cl 7 电解液能有效抑制负极的体积膨胀和界面电阻的增加，对 NCM811 正极也具有良好的耐受性。这说明 Cl 7 电解液在全电池体系中表现卓越，为高能量密度锂金属电池的发展提供了有力支持。
高能量密度锂金属软包电池性能：基于 Cl 7 电解液在上述测试中的优异表现，研究人员进一步将其应用于锂金属软包电池。通过优化设计，采用 100 μm 锂箔、30 mg/cm2 高负载 NCM811 正极和贫电解液（1.1 g/Ah），该软包电池在 0.1 C 下的比能量高达 510.3 Wh/kg，经过 116 次循环后，容量 / 能量保持率仍分别达到 84%/83%。这一成果充分展示了 Cl 7 电解液在实际应用中的巨大潜力，为高能量密度锂金属电池的商业化进程注入了一针强心剂。
综上所述，研究人员通过压缩 Li?的初级溶剂化壳，构建了超饱和电解液，显著提升了锂金属负极的稳定性，使锂金属电镀 / 剥离效率高达 99.9%。基于该电解液的贫锂硬币电池循环寿命优异，高正极比例的 510.3 Wh/kg 锂金属软包电池也能稳定循环超 100 次。这项研究为富含阴离子电解液的发展开辟了新道路，为实现高可逆性的锂金属负极提供了极具前景的策略，有望推动锂金属电池在各个领域的广泛应用，让我们距离高性能电池的未来又近了一步。
