隨著電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備對(duì)能量密度的需求不斷增加，傳統(tǒng)的鋰離子電池（LIBs）逐漸接近其理論能量密度的極限，因此，開發(fā)高能量密度的鋰金屬電池（LMBs）成為了下一代電池技術(shù)的重要研究方向。鋰金屬電池具有比傳統(tǒng)鋰離子電池更高的能量密度，但其面臨著諸多挑戰(zhàn)，特別是在高電壓下，鋰金屬電池的電解質(zhì)分解、鋰枝晶生長以及電極界面不穩(wěn)定等問題顯著影響了其循環(huán)穩(wěn)定性。因此，如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定的電化學(xué)界相層（SEI/CEI）以提高電池的循環(huán)壽命成為了鋰金屬電池研究的核心問題之一。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米所沈炎賓團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊ACS Energy Letters上發(fā)表題為Heated-to-Frozen Electrochemical Interphases Formation Strategy Enables Stable 4.5 V Li-metal Batteries in Ether-based Electrolyte的研究論文。本文提出了一種溫度調(diào)控策略，通過調(diào)節(jié)電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)與分解動(dòng)力學(xué)，控制SEI和CEI的形成過程，進(jìn)而增強(qiáng)高電壓鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。具體而言，研究通過在高溫預(yù)充電（60°C）與低溫存儲(chǔ)（-20°C）的協(xié)同作用下，調(diào)節(jié)電解質(zhì)分解產(chǎn)物的沉積和重組過程，形成了更為致密且穩(wěn)定的電化學(xué)界面層，從而有效提升了基于醚類電解液體系的鋰金屬電池在4.5V高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1 該研究工作的示意圖

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一種溫度調(diào)控策略，通過高溫預(yù)充電能夠加速電解質(zhì)分解產(chǎn)物的生成，并通過低溫存儲(chǔ)抑制這些產(chǎn)物的溶解度，從而促使更為致密和穩(wěn)定的界面層的形成。與傳統(tǒng)方法相比，這種策略通過增加無機(jī)成分（如LiF、Li2CO3、含硼化合物）來增強(qiáng)SEI/CEI層的化學(xué)穩(wěn)定性，減少鋰枝晶的生長和電解質(zhì)的進(jìn)一步分解。

圖2 CEI示意圖及表征分析

圖2展示了不同溫度調(diào)控條件下NCM811電極表面CEI的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。溫度調(diào)控策略下，經(jīng)過高溫預(yù)充電和低溫存儲(chǔ)（HT-LT）形成的CEI比常規(guī)常溫條件下（RT-RT）更厚且富含無機(jī)成分。XPS和TOF-SIMS分析進(jìn)一步表明，HT-LT條件下CEI中Li2CO3、LiF等無機(jī)成分的比例更高，而RT-RT條件下則以有機(jī)成分為主。這些結(jié)果表明，溫度調(diào)控策略有效促進(jìn)了更穩(wěn)定、富含無機(jī)成分的CEI形成，從而提高了基于醚類電解液體系下高鎳正極的穩(wěn)定性和鋰金屬電池的循環(huán)性能。

圖3?電池性能及循環(huán)后表征

圖3展示了不同形成條件下Li||NCM811電池的電化學(xué)性能。經(jīng)過高溫預(yù)充電和低溫存儲(chǔ)（HT-LT）處理的電池，在200次循環(huán)后，容量保持率為88.7%，明顯優(yōu)于常規(guī)常溫處理（RT-RT）的66.9%。在高負(fù)載（3.5 mAh cm?2）條件下，HT-LT電池在110次循環(huán)后容量保持率仍為81.7%。SEM圖像顯示，HT-LT條件下的鋰金屬表面平整光滑，未見明顯鋰枝晶生長，而RT-RT條件下表面松散，出現(xiàn)鋰枝晶。整體來看，溫度調(diào)控策略顯著提升了高電壓鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

中國科學(xué)院蘇州納米所聯(lián)培碩士畢業(yè)生錢雨薇為論文的第一作者，中國科學(xué)院蘇州納米所沈炎賓研究員、邵輝副研究員和董慶雨博士為論文的共同通訊作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金的項(xiàng)目支持，以及蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）的技術(shù)協(xié)助。