2025年5月28日，江西师范大学物理与通信电子学院欧阳楚英教授与宁德时代21C创新实验室团队在《Nature Nanotechnology》期刊发表题为“Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries”的研究论文，宁德时代21C创新实验王瀚森为论文第一作者，王瀚森、欧阳楚英为论文共同通讯作者。这是继欧阳楚英教授团队去年在《Nature》上发表重大成果后，再次取得的重要突破，极大提升了我校物理学科的学术影响力。该研究通过结合多种分析技术，系统研究了含醚基非水系电解液的锂金属电池中的界面反应，建立能够合理解释这些界面反应并对其进行定性和定量评估的全面视角。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01935-y

成果简介：

电极|电解液界面发生的有害副反应显著影响锂金属电池的循环寿命，然而目前尚未建立能合理解释这些界面反应并对其进行定性和定量评估的全面视角。

通过结合多种分析技术，论文系统地研究了含醚基非水电解质溶液的锂金属电池中的界面反应，定量监测了各种纳米尺度驱动的过程，如锂盐和有机溶剂的还原和氧化途径，各种固体电解质界面物种的形成，电池内气体的产生和电极之间的串扰过程。研究表明，由于锂离子的连续分解，锂离子的消耗，（氟磺酰基）酰亚胺盐主导界面反应，导致电池放电期间的离子耗尽和电池失效。作者提出了一种电解质配方，其中双（氟磺酰基）酰亚胺锂含量最大化，而不影响动态粘度和体离子电导率，旨在实现长循环电池性能。按照这种策略，组装并测试了Li（20 μm厚度）||LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（17.1 mg cm-2活性材料）单层堆叠袋式电池在贫电解质条件下（即，2.1 g Ah-1），其可在25 °C下有效地维持483次充电（0.2 C或28 mA）/放电（1 C或140 mA）循环，展示约77%的放电容量保持率。

图1.  石墨基电极和锂金属电极上SEI的发展及定性和定量研究界面反应和产物的分析方法。

锂金属电池（LMBs）中SEI膜的功能与演变规律不同于含石墨负极的锂离子电池。石墨颗粒可促使形成致密SEIs（cSEIs），这类膜在电池长期循环中能保持结构完整性。相比之下，由于锂剥离/沉积过程中显著的体积变化，锂金属表面的cSEIs会持续破裂与再生，导致残留SEI膜（rSEIs）的积累。因此，石墨||NMC811电池在长期循环中表现出容量衰减放缓的特性，而Cu||NMC811电池则因持续的LLI速率出现容量急剧衰减（图1e）。因此，锂离子电池的电解液开发主要聚焦于可分解形成表面钝化SEI膜的添加剂。与之不同，适用于LMBs的理想非水系电解液需具备高阴极稳定性以最小化cSEI形成，同时含有充足的SEI形成组分以维持电池长期循环中的SEI再生。此类设计需要深入理解消耗电解液的界面反应机制。研究人员对电极|电解液界面反应展开系统研究，为合理的电解液设计提供依据。该研究定量解析了LMB循环过程中电解液消耗与LLI的演变规律及其界面反应路径，证实双（氟磺酰）亚胺锂（LiFSI）分解导致的放电过程锂离子耗竭是LMB容量衰减的主要原因。研究人员还开发并测试了一种含低分子量稀释剂和高LiFSI质量分数的定制电解液配方，使Li||NMC811单层叠片（SLS）软包电池在贫电解液条件下实现有效长循环。

图2. 解析界面反应路径及其与LMBs失效的关联性。

技术优势： 1、首次定量描述了LMB循环过程中界面反应与演变过程。本文首次对LMB循环过程中电解质消耗、LLI演变及其界面反应途径进行了定量描述，明确了锂离子耗尽是由于界面反应引起，揭示了LiFSI分解是LMB容量衰减的主要因素，为深入理解LMB失效机制提供了关键依据。 2、开发了新型定制的电解质配方。作者开发了一种含低分子量稀释剂和高重量百分比LiFSI的定制电解质配方，实现了在贫电解质条件下Li||NMC811单层电池组的长期有效循环，显著提高了电池的循环稳定性和容量保持率。

总之，本研究所提出的应用驱动的电解质设计策略在实际条件下有效地延长了LMB循环寿命，但仍需要旨在改善Li金属在电池循环期间的可逆性的进一步创新。需设计高阴极稳定性盐阴离子，抑制电解质降解；同时开发坚固的电化学机械cSEI，适应体积变化，抑制rSEI形成。