锂金属电池（LMBs）被认为是下一代高能量密度可充电电池的有希望的候选者，因为锂金属阳极具有高理论比容量（3860 mAh g−1）和最低的还原电位（-3.04 V vs. 标准氢电极）。特别是，当与高镍层状氧化物（如LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，NCM811）配对时，它们有望创建可靠的高密度能量存储系统。然而，LMBs面临重大挑战，如不希望的锂枝晶生长、“死锂”沉积以及在连续锂沉积层/剥离过程中固体电解质界面（SEI）的破裂。此外，NCM811阴极侧的过渡金属离子溶解、相变和Li/Ni混合也是一个令人头疼的问题。更糟糕的是，这些问题在极端温度下加剧，强调了开发具有强大环境适应性的LMB技术的紧迫性。通常，低温和高温显著恶化LMBs中的离子传输和界面稳定性。在低温下，界面动力学缓慢和严重极化导致锂枝晶生长，最终导致电池性能严重退化。传统的电解质，如溶解在环状碳酸酯和/或线性碳酸酯中的LiPF6，可以在低温下固化，严重限制了正常电池操作。此外，高温加速不良反应和过量电解质损失。此外，LiPF6分解产生的酸性物质可以腐蚀阴极电解质界面（CEI），加剧阴极结构崩溃，最终导致不可避免的电池故障。显然，LMBs的界面性能与Li+的传输动力学和界面的热稳定性有关，这对于宽温度范围应用至关重要。因此，设计和构建具有高Li+导电性和热稳定性的界面对于在恶劣环境中实现可靠的LMBs至关重要。由于电解质直接影响界面的组成和结构，设计可行的电解质以调节LMBs在宽温度范围内的界面化学性质是一种有效策略。乙酸乙酯（EA）是一个有前景的候选者，因为它在宽温度范围内运行，具有适度的介电常数、低粘度、低冰点和相对较高的沸点。然而，EA的严重分解限制了其广泛应用，因此稳定由EA基电解质衍生的界面特性至关重要。众所周知，添加添加剂被认为是形成保护性CEI和SEI的简单可靠策略。氟乙烯碳酸酯（FEC）通常用于构建具有高机械强度的富含LiF的界面。然而，过量的LiF可能会损害Li+传输，并且无法适应电极在循环过程中的体积变化。因此，引入具有良好膜形成功能并与FEC良好协作的添加剂，构建具有高离子导电性和机械稳定性的坚固界面，对于推进全气候LMBs是必要的。
近日，西安交通大学高国新团队设计了一种添加剂辅助的双功能电解质，以满足快速Li+传输动力学和界面的热力学稳定性，实现高能量密度LMBs在宽温度范围内的适应性。设计的电解质（称为EAFP）是通过在含有1 M LiPF6的EA和FEC（10:1，v/v）混合溶剂中引入2 vt%的1,3-丙烷磺酸内酯（PS）获得的。正如预期的那样，设计的EAFP表现出高Li+导电性、低粘度、良好的润湿性和固有的化学稳定性。理论计算和实验结果表明，PS参与构建具有无机内层和有机外层的坚固CEI，以及富含无机物的SEI。这些无机物质增强了界面稳定性并为Li+传输铺平了道路，而含硫有机物改善了界面灵活性以减轻应力积累。因此，EAFP与Li阳极和NCM811阴极都具有出色的兼容性，确保Li||NCM811电池在从-40℃到60℃的广泛温度范围内工作。各种电极也扩大了EAFP的范围。基于电解质工程与高效界面构建之间的联系，这项工作为设计宽温度范围的高能量密度LMBs的电解质提供了新的视角。
该成果以“Electrolyte Engineering to Construct Robust Interphase with High Ionic Conductivity for Wide Temperature Range Lithium Metal Batteries”为题发表在《Angew.andte Chemie International Edition》期刊，第一作者是Li Yanan。
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