鋰金屬負極的能量密度很高，當與高電壓正極結合時，鋰金屬電池可以實現接近 500 Wh kg?1 的能量密度。然而，鋰金屬負極并不穩定，會與電解質反應生成固體電解質界面 (SEI)。本文總結了澳大利亞阿德萊德大學郭再萍院士，廈門大學孫世剛院士、喬羽教授，加拿大西安大略大學孫學良院士、Tsun-Kong Sham（岑俊江）院士，南開大學陳軍院士，香港理工大學張標教授等課題組在鋰電池、鋰金屬電池、電解液設計等方向的最新研究成果，以供讀者了解該領域最新進展。

01

Energy Materials and Devices：人工界面修飾助力高性能鋰金屬電池的最新研究進展與展望！

鋰金屬負極的能量密度很高，當與高電壓正極結合時，鋰金屬電池可以實現接近 500 Wh kg?1的能量密度。然而，鋰金屬負極并不穩定，會與電解質反應生成固體電解質界面 (SEI)。原生的 SEI 比較脆弱，會因界面形變而破碎。此外，Li+傾向于沉積在電荷集中的尖端處而進一步生長為枝晶狀，在后續的剝離過程中，鋰金屬可能與基底失去電接觸而成為“死”鋰。SEI 膜在 Li 沉積和剝離過程中會反復地破損和重新生成，致使電極多孔蓬松和 “死”鋰堆累。鋰枝晶還可能會刺穿隔膜并導致內部短路。這些隱患阻礙了鋰金屬電池的實際應用。通過合理設計 ASEI 的化學成分和結構，可以實現預先改善鋰金屬表面性質。根據化學成分, ASEI 可分為三類：無機 ASEI（包括單組分和多組分無機層、類聚合物無機層）、有機 ASEI（包括單組分和多組分復合）和無機-有機復合 ASEI。

鑒于此，澳大利亞阿德萊德大學郭再萍院士團隊在Energy Materials and Devices上發表了題為“Developing artificial solid-state interphase for Li metal electrodes: recent advances and perspective”的最新研究成果。

本文要點：

1.在這項研究中，作者從化學成分方面全面總結了ASEI層構建的最新進展。

2.作者分析了對主要部件的機制、設計原理和功能的基本了解。

3.作者還提出了未來的研究方向，以促進 ASEI 的深入研究及其在鋰金屬電池中的實際應用。為了實現 ASEI 層在鋰金屬電極中的實際應用，未來應重點關注以下領域：I) 提高鋰金屬表面 SEI 或 ASEI 層的附著力；II) 表征 ASEI 中有機部分的多孔結構；III) 了解 ASEI 層對最終鋰電解質界面形成的影響；IV) 提高 ASEI 層的熱穩定性；V) 設計具有自愈能力的保護層；VI) 提高鋰負極的空氣穩定性；VII) 最小化 ASEI 層的質量和厚度；

4.這篇綜述提供的觀點將對實用鋰金屬電極的設計做出巨大貢獻。

02 Angew. Chem. Int. Ed.：過渡金屬注入策略，助力高能量密度、長壽命鋰離子電池！

從商用石墨負極（ICE >90%）發展到其他先進的高容量負極（如硅基負極，ICE <80%）后，當形成 SEI 時，鋰離子的損失會加劇。通過調整陰極截止電位獲得的容量改善不足以交換負極初始循環中活性鋰的犧牲，這嚴重限制了下一代 LIB 能量密度。陰極預鋰化是通過植入犧牲鋰源提供額外的活性鋰離子， 這些額外的鋰離子可補償 SEI 的形成，最終提高能量密度。

簡而言之，陰極預鋰化劑應具有足夠的鋰儲存能力，能夠在陰極電荷截止電位以下釋放所儲存的鋰離子。目前已有幾種具有代表性的富鋰化合物被引入作為正極預鋰化劑，包括 Li2O2、Li2S、反螢石（Li2O、Li6CoO4、Li5FeO4）和富鋰層狀氧化物（Li2MnO3-LiMO2（M= Ni、Co、Mn））。然而，由于其導電性差和電化學活性低，導致電荷過電位/極化率高（vs Li/Li+相比通常大于 4.7 V），在實際應用中難以發揮其極高的理論容量（vsLi/Li+相比通常小于 4.4 V）。

鑒于此，廈門大學孫世剛院士、喬羽教授等人在Angewandte Chemie International Edition上發表了題為“Implanting Transition Metal into Li2O-Based Cathode Prelithiation Agent for High-Energy-Density and Long-Life Li-Ion Batteries”的最新研究成果。

本文要點：

1.在這項研究中，作者將痕量 Co（從過渡金屬氧化物中提取）精確地植入 Li2O 的 Li 位點，得到了 (Li0.66Co0.11□0.23)2O (CLO) 正極預鋰化劑。

2.鋰空位的協同形成和 Co 衍生催化作用有效地提高了 Li2O 的固有電導率并削弱了 Li-O 相互作用，從而促進其陰離子氧化為過氧/超氧成分和氣態 O2，實現了 1642.7 mAh/g~Li2O 的預鋰化容量（預鋰化劑約為 980 mAh/g）。

3.以 6.5 wt% CLO 為基礎的預鋰化劑與鈷酸鋰陰極耦合后，CLO 中存儲的大量額外鋰源被有效釋放，以補償 SiO/C 陽極的鋰消耗，從而實現了 270 Wh/kg 的軟包全電池容量，1000 次循環后容量保持率達 92%。

4.后續工作可進一步從鋰氧電池的催化劑設計策略中汲取靈感，旨在加快親核成分向氧氣轉化的動力學過程，從而更有效地優化電池性能。

03 Advanced Materials：超長循環無枝晶全固態鋰金屬電池的鋰離子傳輸精確調控！

電動汽車作為交通領域綠色轉型的關鍵，正迅速成為研究和發展的焦點。電動汽車的普及程度與電池性能的優劣直接相關。業內對電動汽車使用的鋰離子電池提出了高標準的要求：它們不僅需具備高能量密度（超過500 Wh/kg）、卓越的安全性，還要有長久的使用壽命。鋰金屬電池由于其理論能量密度遠超傳統鋰離子電池，被認為是理想選擇。然而，鋰金屬電池在能量密度方面雖有優勢，但傳統鋰離子電池使用易燃的液態電解液，其安全性問題和有限的使用壽命仍是挑戰。因此，全固態鋰金屬電池通過使用固態電解質替代液態電解質，克服了安全隱患，因此展現出解決這些挑戰的巨大潛力。然而，現有的全固態鋰金屬電池依然面臨多重挑戰，包括固態電解質中鋰枝晶生長導致的循環壽命和安全問題，以及高阻抗導致的快充困難的挑戰。這些問題迫切需要通過材料調控、工程化設計及全面的理論理解來解決。

鑒于此，加拿大西安大略大學孫學良院士和Tsun-Kong Sham（岑俊江）院士在Advanced Materials上發表了題為 “Precise Tailoring of Lithium-Ion Transport for Ultra-long-cycling Dendrite-free All-Solid-State Lithium Metal Batteries” 的最新研究成果。

本文要點：

1.在本文中，作者在固態電解質中通過熱壓過程，精確調控了多尺度鋰離子傳輸，從而實現了無鋰枝晶生長并且具有長循環壽命的電池設計。

2.具體來說，這項技術能夠顯著提高Li3InCl6的離子導電性，將其在室溫下的導電性從6.95 × 10-4S/cm提升至4.4 × 10-3S/cm。

3.通過研究晶粒的晶體結構和局部無序結構、以及晶粒間的晶界和空隙，揭示了在原子、微觀和介觀尺度上促進多尺度鋰離子傳輸的機理。研究團隊利用同步輻射X射線衍射（SXRD）、飛行時間中子衍射技術（TOF）和第一性原理分子動力學（AIMD）模擬，揭示了晶粒內和晶粒間鋰離子傳輸增強的機制。這種傳輸增強歸因于晶粒內鋰、銦和氯的空位增加，導致配位環境的演變，從而降低了鋰離子躍遷的能壘。

4.此外，作者通過先進的同步輻射X射線計算機斷層掃描（XCT）技術和大規模分子動力學（MD）模擬，發現形成具有高離子導電性的晶界以及消除晶粒間的空隙，可以顯著提高晶粒間的鋰離子導電性。

5.這些創新不僅增強了電池的電化學性能，而且顯著提升了對鋰枝晶生長和穿透的抑制能力。因此，這項技術使得研究人員成功設計出一款長循環壽命、無鋰枝晶的全固態鋰金屬電池，其在在0.5 C充放電條件下經過2000個循環后保持了93.7%的容量，展現出非凡的電化學性能。

04 Angew. Chem. Int. Ed.：適用于全氣候鋰金屬電池的不對稱溶劑調節結晶限制電解質！

近年來，近幾十年來，對更先進電池技術的需求強烈推動了全球范圍內對可充電鋰金屬電池（LMB）的重新探索。盡管 LMB 取得了相當大的工程進展和更全面的科學認識，但 LMB 在全氣候條件下（尤其是 ≤ -30°C 和 ≥ 50 °C）的可靠運行仍然是一個重大挑戰。LMB的溫度彈性差的內在原因可歸因于1）低溫下離子傳輸動力學不足，導致容量輸出較低，并且由于枝晶生長而導致嚴重的安全問題；2）由于反應性增加，在高溫下加劇了電解質和電極之間的寄生反應。原則上，所有這些問題都與電解質的化學性質高度相關。因此，開發在惡劣溫度下可靠運行的先進電解質至關重要。

鑒于此，南開大學陳軍院士在Angewandte Chemie International Edition上發表了題為“Asymmetric Solvents Regulated Crystallization-Limited Electrolytes for All-Climate Lithium Metal Batteries”的最新研究成果。

本文要點：

1.在這項報告中，作者提出了結晶限制策略來解決這個問題。作者證明，雖然亞硫酸乙烯酯（ES，-17℃）和碳酸氟乙烯酯（FEC，~23℃）的熔點較高，但它們的混合物可以避免在低溫下結晶，這可歸因于分子間相互作用低和分子運動動力學改變。

2.合適的 ES/FEC 比率 (10% FEC) 可以平衡離子的體積傳輸和界面傳輸，使 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2||鋰 (NCM811||Li) 全電池在較長時間內提供出色的溫度彈性和循環穩定性。其適用溫度范圍廣，從?50 °C 到+70?°C。與室溫相比，-50°C 下的容量保持率達到了 66% 以上。

3.NCM811||鋰軟包電池在不同溫度下的實際條件下（電解液重量與正極容量比（E/C）≤3.5 g Ah-1，負極與正極容量比（N/P）≤1.09）表現出高循環穩定性。

4.該項工作提供了解耦溶劑高低溫特性的途徑，拓寬了全氣候電解質的溶劑開發范圍。

05 Energy Materials and Devices：應用于鋰電池的弱溶劑化電解液的設計原則與最新進展！

電解液是鋰電池的“血液”，其電化學性能很大程度上取決于溶劑化結構。在傳統電解質（CE）中，鋰鹽高度解離，并且電解質溶劑化鞘被溶劑分子占據。這導致高去溶劑化能，犧牲了低溫和倍率性能。此外，溶劑化溶劑分子的分解導致富含有機物的SEI/CEI的形成，其具有緩慢的 Li+傳導動力學。為了解決這些問題，研究人員開發了高濃度電解質（HCE），其中溶劑分子和陰離子都參與 Li+溶劑化鞘層。這種溶劑化結構可以降低溶劑分子的活性，構建陰離子衍生的無機 SEI/CEI，拓寬電化學窗口，但也帶來了粘度高、潤濕性差的缺點。

在 HCE 中引入非溶劑化溶劑（通常是氫氟醚）作為稀釋劑可以實現局部高濃度電解質（LHCE）可以有效降低粘度，提高潤濕性，同時保留陰離子參與的溶劑化結構。然而，LHCE 的離子電導率較低，因為 Li+溶劑化鞘被稀釋劑包裹，其遷移速度受到限制。除了 HCE 和 LHCE 之外，弱溶劑化電解質（WSE），也稱為低溶劑化電解質，提供了另一種行之有效的方案。在 WSE 的溶劑化鞘層中，溶劑和陰離子均與 Li+配位，相互作用較弱。與 HCE 相比，WSE 在稀釋條件下實現了富含陰離子的溶劑化結構，從而降低了粘度。與 LHCE 相比，WSE 中所有溶劑都參與了溶劑化過程（不使用非溶劑化稀釋劑），從而提高了離子電導率。

鑒于此，香港理工大學張標教授在Energy Materials and Devices上發表了題為 “Weakly solvating electrolytes for next-generation lithium batteries: design principles and recent advances” 的最新綜述成果。

本文要點：

1.在這篇綜述中，作者旨在回顧開發鋰電池（包括 鋰離子電池LIB和鋰金屬電池LMB）WSE的設計策略和最新進展。作者總結了WSE在提高電化學性能方面的四大作用，并討論了開發WSE的設計原理（包括鹽、溶劑和添加劑工程），提供了全面的總結和展望。

2.作者首先總結了WSE電解液的四大作用，即降低Li+去溶劑化能壘，構建富無機SEI/CEI，降低溶劑化的溶劑分子的極化，以及調控鋰均勻沉積。

3.作者闡述了設計WSE電解液的基本原則：調控Li+與溶劑分子和陰離子之間的相互作用力達到平衡。

4.此外，作者以鹽工程和溶劑工程為分類，總結和評述了開發WSE的最新進展。

5.作者認為，WSE 的設計理念可以擴展到其他電池，如鈉、鉀、鎂和鋅電池系統。在未來的研究中，應特別注意簡化合成程序、提高收率、降低成本。

審核編輯：劉清