正文
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研究背景
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锂金属电池（LMBs）作为极具潜力的高能量电池化学体系之一，有望推动长续航电动汽车和电动航空的发展。许多公司，例如SES AI、Sion Power和Cuberg正在积极开发锂金属电池。然而，目前的锂金属电池性能尚未达到商业化要求，迫切需要基于技术的创新。由于可以直接应用于标准锂离子电池生产线，非水系液态电解质的研究备受关注。例如（局部）高浓度电解液（LHCEs）和弱溶剂化电解液等电解液设计，展现出高负极稳定性，并且与高电压正极材料（NMC811）具有良好的循环兼容性。它们还能促进形成无机的、阴离子衍生的固体电解质界面（SEI），使得采用无锂工作电极和锂对电极（例如Li||Cu电池）的电池实现了超过99.5%的锂循环库仑效率（CE）。通过合理设计电解液，可以最小化因形成电子绝缘的“死”金属锂而导致的活性锂损失（LLI），从而提高锂金属电池的库仑效率。然而，目前最先进的锂金属电池仍然存在显著的LLI，主要由持续的SEI形成所主导，这需要进一步抑制。
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研究内容
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锂金属电池中SEI的功能和演变与采用石墨基负极的锂离子电池不同。石墨颗粒能够形成紧凑的SEI（cSEI），在长期电池循环过程中保持结构完整性（图1a）。相比之下，由于锂沉积/剥离过程中体积变化显著，锂金属表面的cSEI会不断破裂和重新形成（图1b），导致残留SEI（rSEI）的积累（图1c、d）。因此，石墨||NMC811电池在长期循环过程中表现出容量衰减减缓的趋势，而铜||NMC811电池则由于LLI的恒定速率而表现出急剧的容量衰减（图1e）。因此，锂离子电池的电解质开发主要集中在能够分解形成表面钝化SEI的添加剂上。相比之下，理想的锂金属电池非水电解质应具有高阴极稳定性，以尽量减少cSEI的形成，并且有足够的SEI形成组分以维持长期电池循环过程中的SEI形成。这样的设计需要对电解质消耗的界面反应有深入的理解。
在此，本文对锂金属电池的电极|电解质界面反应进行了系统研究，以指导合理的电解质设计，定量绘制了锂金属电池循环过程中电解质消耗和LLI的演变，以及它们的界面反应路径。同时，证明了锂离子在放电过程中的耗尽，源自于LiFSI的分解，这是锂金属电池容量衰减的主要原因。此外，还开发并测试了一种含有低分子量稀释剂和高LiFSI质量百分比的定制电解质配方，该配方能够在贫电解液条件下实现Li||NMC811单层叠片式软包电池的有效长期循环。
图1. 石墨和锂金属电极上SEI的演变以及定性和定量研究界面反应和产物的分析方法。
图2. 量化Cu||NMC811电池循环过程中各种化学物质的消耗量。
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