鋰 (Li) 金屬電池 (LMB) 有望成為高能量密度可充電電池。然而，高活性鋰和非水電解質反應形成的鋰枝晶會導致安全問題和容量快速衰減。開發可靠的固體電解質界面對于實現高倍率和長壽命的 LMB 至關重要，但在技術上仍具有挑戰性 。

鑒于此，華南理工大學丘勇才教授（2023年12月逝世，年僅40歲）、嚴克友教授、中科院物理所李泓教授、浙江工業大學陶新永教授證明，在商用含 LiPF6 的 LMB 碳酸鹽電解質中添加過量的 m-Li2ZrF6（單斜）納米顆粒，有助于在施加電壓的驅動下將大量 ZrF62– 離子釋放到電解質中，轉化為 t-Li2ZrF6（三角）并原位創建具有高鋰離子電導率的穩定固體電解質界面。

計算和低溫透射電子顯微鏡研究表明，原位形成的富含 t-Li2ZrF6 的固體電解質界面顯著增強了鋰離子的轉移并抑制了鋰枝晶的生長。因此，用 LiFePO4 正極（面積負載，1.8/2.2 mAh cm-2）、三維鋰碳負極（50 μm 厚的鋰）和基于 Li2ZrF6 的電解質組裝的 LMB 在 3000 次循環（1C/2C 速率）后顯示出大大改善的循環穩定性和高容量保持率（>80.0%）。這一成果代表了領先的性能，因此，為實際高速率條件下耐用的 LMB 提供了可靠的基于 Li2ZrF6 的電解質。

相關研究成果以題為“Li2ZrF6-based electrolytes for durable lithium metal batteries”發表在最新一期《Nature》上。本文一作為丘勇才教授課題組博士畢業生徐慶帥，共同一作為華南理工大學Li Tan和溫州大學Ju Zhijin 。

該論文第一完成單位為華南理工大學，徐慶帥博士為第一作者，丘勇才、嚴克友教授領導了該項目團隊，嚴克友為通訊作者。昆明理工大學李坦副教授、溫州大學居治金教授為共同第一作者。浙江工業大學陶新永教授、中國科學院物理研究所李泓研究員、北京航空航天大學郭林教授為共同通訊作者。該工作得到了海外高層次人才計劃、國家自然科學基金和重點研發計劃，廣東省創新創業團隊及青年拔尖人才計劃、興華人才計劃的基金的大力支持。

丘勇才，男，本碩博分別畢業于廣東海洋大學、華南師范大學、香港科技大學，2012年起先后在香港科技大學、斯坦福大學與中國科學院納米所、香港中文大學從事博士后研究工作，2017年7月起任華南理工大學環境與能源學院教授。

公開資料顯示，丘勇才博士曾在國際頂級期刊Sci. Adv., Angew. Chem., Adv. Mater., Nano Lett.等上發表學術論文90多篇, SCI他引4500余次。研究方向為光/電/熱催化、原位電鏡表征、電化學儲能器件等。

據學院官網資料，近年，丘勇才主持/參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金、海外高層次引進青年人才、廣東珠江人才創新創業團隊項目等9項，總經費達1600萬元，曾獲得廣東省科學技術獎（自然科學類）二等獎。指導博士后2名，博士生6名，碩士生7名。

鋰金屬電池憑借鋰金屬負極極低的電化學還原電位和超過高的理論比容量，而被認為是最有潛力的下一代電池候選者，它有潛力將現有鋰離子電池的能量密度提升一倍。然而目前，基于鋰離子電池的碳酸酯基電解液體系，與鋰金屬電池仍然無法很好地兼容。其根本原因在于，目前的商業電解液無法在鋰金屬負極表面形成穩定的固態電解質界面。這種缺陷不僅會造成鋰枝晶的生長，帶來電池爆炸的風險，還會嚴重影響鋰金屬電池的循環壽命。如何在鋰金屬負極界面表面構建同時具有高電子絕緣性、高離子電導率和高化學穩定的理想型固態電解質界面，一直是這一研究中的關鍵難題。

該工作創新點和作用機理示意圖

針對以上難點，研究團隊基于理論計算，驗證了以t-Li2ZrF6 晶體構建理想型固態電解質界面的可行性，首次提出用電場驅動m-Li2ZrF6 轉化為t-Li2ZrF6來構筑固態電解質界面的策略。相關實驗表明，這一策略不僅能夠憑借優異的電子絕緣性阻止電子擊穿固態電解質界面進而抑制電解液的分解，還能夠為Li+ 提供快速遷移的通道，提高鋰金屬電池的倍率性能。此外，t-Li2ZrF6晶體表面豐富的親鋰位點能夠和其內部的離子通道一起，誘導鋰金屬均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長，從而提高鋰金屬電池的安全性。同時，過量m-Li2ZrF6添加劑不僅能夠改善傳統添加劑在循環中被耗盡的缺陷，還能夠通過ZrF62-離子及時修復破損的固態電解質界面，為鋰金屬負極的界面穩定性提供長期保護。

基于上述優勢，m-Li2ZrF6納米添加劑能夠使Li||LiFePO4電池在普通商業碳酸酯電解液中，以2C的倍率穩定循環3000次，且擁有超過80%的容量保持率。這項工作為鋰金屬負極界面保護提供了新的研究材料和思路。

本研究確立了m-Li2ZrF6納米粒子作為LMB的轉化電解質添加劑的作用。形成堅固的雙功能富含t-Li2ZrF6的SEI可顯著提高鋰離子遷移率、抑制樹枝狀生長并提高循環性能。施加電壓驅動的m-Li2ZrF6解離可保持ZrF6?2離子的穩定供應，從而實現SEI的自我修復并確保長期穩定性。這些發現為在實際高速率條件下開發耐用的LMB提供了可靠的途徑。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08294-z

來源：高分子科學前沿、華南理工大學、科研城邦。