通过一种不含三氟甲基的新型锂盐来构建稳定的固液电解质界面，用于锂金属聚合物电池

《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》：Engineering a Stable Solid–Electrolyte Interphase through a Novel Trifluoromethyl-Free Lithium Salt for Lithium Metal Polymer Batteries

锂金属聚合物电池中新型氟化锂盐LiDFFSI的制备及其对固态电解质界面层（SEI）的优化作用。通过结合LiFSI和LiDFSI的氟化物结构，LiDFFSI在PEO基固态电解质中形成更稳定、低电阻的SEI层，抑制锂枝晶生长，提升LiM||LiFePO4电池循环稳定性（125次循环容量保持率>98%），并表现出良好的铝电极兼容性。

　　在锂金属电池（LMBs）技术中，提高能量密度和安全性一直是研究的重点。目前，液态电解质虽然具有较高的离子导电性，但其易燃性使得电池在实际应用中面临安全风险。因此，研究者们开始关注固态聚合物电解质（SPEs）作为替代方案，以解决液态电解质所带来的问题。然而，现有固态电解质在锂金属负极界面的兼容性、离子传输效率以及循环稳定性等方面仍存在不足。本研究提出了一种新的锂盐——锂（difluoromethylsulfonyl）（fluorosulfonyl）imide（LiDFFSI），旨在克服现有锂盐如LiTFSI的局限性，从而提升固态锂金属聚合物电池（SSLMPBs）的整体性能。

LiTFSI虽然在传统固态电解质中表现出良好的离子传输能力，但由于其与锂金属负极之间的界面不兼容性，容易导致不均匀的锂沉积、枝晶生长以及界面电阻升高。此外，LiTFSI属于全氟烷基磺酸盐（PFAS），其对环境和健康可能产生潜在影响。因此，开发一种新型锂盐，既能提升固态电解质的性能，又能降低其对环境的负面影响，成为当前研究的重要方向。LiDFFSI作为这一方向的创新尝试，其分子结构融合了LiFSI和LiDFSI的优点，具有较高的离子导电性，并且能够促进形成稳定、均匀、具有高离子导电性的固态电解质界面（SEI），从而显著改善固态电解质的性能。

在本研究中，LiDFFSI被设计为一种不含CF?基团的锂盐，这使其在化学稳定性方面相较于传统锂盐有所改进。同时，由于其分子结构中引入了氟原子和氢原子，LiDFFSI在与锂金属负极接触时能够形成富含LiF和LiH的SEI层。这种SEI层不仅能够有效抑制锂枝晶的形成，还能降低界面电阻，提高电池的循环稳定性。实验结果显示，LiDFFSI在70°C下的离子导电率达到6.6×10?? S cm?1，相较于LiTFSI/PEO体系的1.6×10?? S cm?1有明显提升，说明其在固态电解质中的性能优势。

此外，LiDFFSI还表现出良好的对铝（Al）集流体的兼容性。铝作为许多固态电池中常用的集流体材料，其在高电压下的稳定性至关重要。实验表明，在4.5 V的电压条件下，LiDFFSI/PEO电解质能够有效防止铝集流体的腐蚀，这与LiTFSI和LiDFSI体系相比具有显著优势。通过扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析，研究者们发现LiDFFSI在与锂金属负极形成SEI层时，不仅能够减少锂的不均匀沉积，还能促进形成一种更稳定的界面结构，从而提高电池的循环寿命和安全性。

为了进一步验证LiDFFSI的性能，研究者们将其应用于LiM||LiFePO?（LFP）全电池体系中，并在70°C下进行了长期循环测试。结果显示，LiDFFSI体系在C/10的电流密度下，能够实现超过125次循环的稳定性，且容量衰减非常轻微，这表明其在实际应用中具有良好的可行性。相比之下，LiTFSI体系在相同条件下表现出较差的循环性能，这可能与其形成的SEI层不够稳定有关。通过对比分析，LiDFFSI在电化学性能、界面稳定性以及材料兼容性方面均展现出明显优势。

从分子设计的角度来看，LiDFFSI的结构优化是其性能提升的关键因素之一。与LiTFSI相比，LiDFFSI的分子结构中引入了更多的氢原子，这有助于形成更丰富的SEI层，从而增强其对锂金属负极的保护作用。同时，LiDFFSI的分子尺寸较小，能够更好地与PEO基质相互作用，提升电解质的离子传输能力。这种设计思路为未来的固态电解质开发提供了新的方向，即通过合理选择锂盐的化学结构，优化其与聚合物基质的相互作用，从而形成更高效的SEI层，提高电池的综合性能。

除了对LiDFFSI的电化学性能进行研究外，本研究还对其热稳定性和机械性能进行了评估。通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC），研究者们发现LiDFFSI/PEO电解质在高温下的热稳定性良好，且其玻璃化转变温度（Tg）较低，这意味着其在固态电池中的应用温度范围更广。同时，LiDFFSI的分子结构使其在高温下仍能保持良好的机械性能，有助于电池在复杂环境下的稳定运行。

此外，研究还通过核磁共振（NMR）和拉曼光谱（Raman）等技术，对LiDFFSI在固态电解质中的离子行为进行了深入分析。这些实验结果表明，LiDFFSI能够促进锂离子的自由移动，从而提升固态电解质的离子导电性。同时，其形成的SEI层在结构上更加均匀，减少了锂沉积过程中的不均匀性，有助于抑制枝晶的生长，提高电池的安全性。

LiDFFSI的应用不仅限于锂金属负极的界面优化，还涉及对整个电池系统的综合改进。在LiM||LFP全电池中，LiDFFSI的加入显著提升了电池的循环稳定性，同时降低了界面电阻，从而提高了整体的电化学性能。这些结果表明，LiDFFSI不仅在电化学性能方面优于传统锂盐，还能够有效解决当前固态电池面临的主要挑战，包括枝晶形成、界面不兼容性和电解质腐蚀问题。

为了进一步探索LiDFFSI的性能优势，研究者们还进行了多组实验，包括不同电流密度下的充放电测试、极化电压分析以及SEI层的形态和成分分析。这些实验结果一致表明，LiDFSI在促进锂离子均匀沉积、减少界面极化、提高电池循环寿命等方面具有显著优势。特别是在高电流密度下，LiDFFSI体系表现出更低的过电位和更高的库仑效率，这进一步验证了其在高功率密度电池中的应用潜力。

从实际应用的角度来看，LiDFFSI不仅能够提升固态电池的性能，还具有环境友好性。由于其不含全氟烷基磺酸盐（PFAS），LiDFFSI在环保和可持续发展方面具有重要意义。此外，LiDFFSI的化学稳定性和对铝集流体的良好兼容性，使其成为下一代固态锂金属电池的理想候选材料。

综上所述，LiDFFSI作为一种新型锂盐，在固态电解质的开发中展现出广阔的应用前景。其结构设计合理，能够有效提升电解质的离子导电性、界面稳定性以及对铝集流体的兼容性。同时，LiDFFSI在电化学性能和安全性方面优于传统锂盐，为实现高能量密度、高安全性、长循环寿命的固态锂金属电池提供了新的解决方案。未来的研究可以进一步探索LiDFFSI在不同电池体系中的应用潜力，并优化其合成工艺，以推动其在商业电池中的实际应用。