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【导语】锂金属电池以其高能量密度和低电化学电位被誉为下一代高能电池的“理想之选”。然而，在高电压环境下，传统电解液易引发一系列问题，阻碍了锂金属电池的实用化进程。近日，中山大学的研究团队通过分子结构工程策略，创新性地构建了一种三元复合电解液添加剂体系PAFE，有效解决了锂金属电池在高电压下的循环稳定性和安全性难题。这一成果不仅为锂金属电池的性能提升提供了新策略，也为其未来的规模化应用奠定了坚实基础。

锂金属电池，因其极高的理论能量密度和极低的电化学电位，被视为下一代高能电池的“理想之选”。然而，想让这位“高能选手”稳定地在高电压下工作，却并不容易。

特别是在充电截(jié)止(zhǐ)电(diàn)压(yā)达(dá)到(dào)4.7 V时(shí)，传(chuán)统(tǒng)电(diàn)解(jiě)液(yè)往(wǎng)往(wǎng)力(lì)不(bù)从(cóng)心(xīn)：电(diàn)解(jiě)液(yè)分(fēn)解(jiě)、界(jiè)面(miàn)层(céng)（SEI/CEI）破(pò)裂(liè)、锂(lǐ)枝(zhī)晶(jīng)生(shēng)成(chéng)、容(róng)量(liàng)迅(xùn)速(sù)衰(shuāi)减(jiǎn)……这(zhè)些(xiē)“老(lǎo)问(wèn)题(tí)”严(yán)重(zhòng)阻(zǔ)碍(ài)了(le)锂(lǐ)金(jīn)属(shǔ)电(diàn)池(chí)的(de)实(shí)用(yòng)化步伐。

近日，来自中山大学材料科学与工程学院的王成新/雷丹妮研究团队利用分子结构工程策略，构建了一种三元复合电解液添加剂体系PAFE：通过Al(EtO)3与氟代碳酸乙烯酯和乙氧基五氟环三磷腈分子的协同配位，在电极表面原位聚合形成(chéng)均(jūn)匀(yún)的固态电解质界面，同步缓解三元正极晶(jīng)格(gé)应(yīng)力(lì)并(bìng)抑(yì)制(zhì)负(fù)极(jí)枝(zhī)晶(jīng)，提(tí)升(shēng)了(le)锂(lǐ)金(jīn)属(shǔ)电(diàn)池(chí)在(zài)4.7 V电(diàn)压(yā)下(xià)的(de)循(xún)环(huán)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)和(hé)安(ān)全性(xìng)。

三(sān)种(zhǒng)添(tiān)加(jiā)剂(jì)，构(gòu)筑(zhù)一(yī)个(gè)“理想界面”

PAFE的核心在于一种精(jīng)心(xīn)设(shè)计(jì)的(de)三元配方：乙醇铝（Al(EtO)3）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）和乙氧基（五氟）环三磷腈（PFPN）。它们在传统碳酸酯基电解液中协同反应，形成了一个独特的三维交联聚合网络。

这个聚合网络具有多重功能：

均匀化锂离子流：使LiF、Li3N、Li3P、Al2O3等无机组分在SEI/CEI中均匀分布，从而实现更加均匀的锂离子传输；

降低锂离子迁移能垒：显著提升离子传导速率，改善电池的倍率性能；

提升机械强度与热稳定性：形成更致密、更坚固的界面层，有效抑制锂枝晶生长；

增强阻燃性：PFPN分解产物具有优异的阻燃作用，提升电池安全等级。

电解液设计策略。（a-c）不同电解液中锂离子在界面迁移的活化能。PFE（d）和PAFE（e）中形成的电极/电解质界面示意图。（f）BE和PAFE电解液的可燃性测试。BE（g）和PAFE（h）中形成的SEI和CEI的保护机制。

性能验证：高电压下的稳定长跑

研究团队在一系列实验中验证了PAFE电解液的实际效果：

在4.7 V高压下运行140个循环后，容量保持率依然高达80%，表现远优于使用传统电解液的对照组；

在商用NCM811正极和锂金属负极组合下，1 Ah软包电池实现了80次稳定循环，无明显鼓胀或容量衰减。

Li||NCM811 电池的电化学性能。（a-d）纽扣电池在不同电解液中的循环性能和充放电曲线。（e）1 Ah Li||NCM811软包电池在3.0-4.7 V电压范围内的循环性能。使用BE电解液的电池（f）在循环20次后出现明显膨胀，而使用PAFE电解液的电池（g）循环80次后没有出现明显膨胀，证明PAFE有效抑制了气体的产生。（h）PAFE优于最近最先进的电解液体系。

研究意义与应用前景

这项研究表明，通过精确调控电解液中的添加剂反应，可以在电池运行初期就“设计好”所需的界面结构。这不仅改善了锂金属电池在高电压下的性能，也为未来构建更高电压、更高能量密度的系统提供了可借鉴的界面策略。

在实际应用场景中，PAFE 体系的组成具有显著的工程化优势：除 Al(EtO)3添加剂外，其余组分均为商业(yè)电(diàn)解(jiě)液(yè)的(de)常(cháng)用(yòng)成(chéng)分(fēn)，这(zhè)一(yī)特(tè)性(xìng)极(jí)大(dà)降(jiàng)低(dī)了(le)体(tǐ)系(xì)的(de)应(yīng)用(yòng)门(mén)槛(kǎn)与(yǔ)兼(jiān)容(róng)性(xìng)成(chéng)本(běn)。尤(yóu)为(wèi)重(zhòng)要(yào)的(de)是(shì)，Al(EtO)3的(de)制(zhì)备(bèi)工(gōng)艺(yì)简(jiǎn)单(dān)高(gāo)效(xiào)，目(mù)前(qián)已(yǐ)在(zài)实(shí)验(yàn)室(shì)实(shí)现(xiàn)批(pī)量(liàng)低(dī)成(chéng)本(běn)合(hé)成(chéng)，为(wèi)该(gāi)体(tǐ)系(xì)从(cóng)实(shí)验(yàn)室(shì)研(yán)究(jiū)向(xiàng)产(chǎn)业(yè)化(huà)转(zhuǎn)化(huà)奠(diàn)定(dìng)了(le)坚(jiān)实(shí)基(jī)础(chǔ)。这(zhè)种(zhǒng)兼(jiān)具(jù)材(cái)料(liào)普(pǔ)适(shì)性(xìng)与(yǔ)制(zhì)备(bèi)经(jīng)济(jì)性(xìng)的(de)设(shè)计(jì)，使其在提升电池性能的同时，具备了规模化应用的可行性。

总结

将“添加剂”这颗小螺丝钉调得精准有力，便可撬动锂金属电池这个庞大系统的稳定性提升。这正是PAFE体系的亮点所在：以微观结构优化促进宏观性能跃升，为高能量密度储能器件的发展打下坚实基础。这项成果已发表于《国家科学评论》（National Science Review）。