摘要：锂金属电池因高能量密度被视为电动汽车/电动航空的关键技术，但其性能尚未满足商业化需求。主要挑战在于电极/电解质界面副反应导致的锂库存损失（LLI）。传统石墨负极形成致密稳定固体电解质界面相（SEI），而锂金属因剥离/沉积的体积变化导致SEI反复破裂，形成残余S

锂金属电池因高能量密度被视为电动汽车/电动航空的关键技术，但其性能尚未满足商业化需求。主要挑战在于电极/电解质界面副反应导致的锂库存损失（LLI）。传统石墨负极形成致密稳定固体电解质界面相（SEI），而锂金属因剥离/沉积的体积变化导致SEI反复破裂，形成残余SEI持续消耗活性锂。现有电解质（如局部高浓度电解质）虽提升库仑效率至99.5%，但LLI仍受限于SEI持续形成。本研究通过多技术联用定量解析界面反应，揭示LiFSI分解主导的锂离子耗竭机制，并据此设计高盐浓度、低粘度电解质，实现贫电解液条件下长循环LMB。

成果简介

锂金属电池（LMBs）中电极/电解质界面的副反应显著影响循环寿命。针对该难题，宁德时代（江西师范大学教授）欧阳楚英和王瀚森博士团队等人结合多种分析技术，系统研究了醚基非水电解质溶液的界面反应。该项研究定量监测了纳米级过程，包括锂盐/有机溶剂的还原/氧化路径、固体电解质界面相（SEI）形成、产气及电极间串扰。结果表明，双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）盐的持续分解主导界面反应，导致放电过程中锂离子耗竭和电池失效。

基于此，提出了最大化LiFSI含量而不损害动态粘度和体相离子电导率的电解质配方。采用该策略组装的薄锂负极（20μm）||高载量LiNi₀.₉Mn₀.₁Co₀.₁O₂（17.1 mg cm⁻²）单层软包电池，在贫电解液条件（2.1 g Ah⁻¹）下实现483次充放电循环（0.2 C充电/1C放电），容量保持率约77%。相关研究成果以“Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries”为题，于2025年5月28日发表在Nature Nanotechnology上。

作者简介

欧阳楚英，1997年7月毕业于江西师范大学物理专业，获学士学位。 2000年7月毕业于江西师范大学理论物理专业（导师：雷敏生教授），获硕士学位，并留校任教。2005年7月毕业于中科院物理所获凝聚态物理专业（导师：陈立泉院士），获博士学位。瑞士联邦理工学院（EPFL）物理系博士后公司董事，主要负责公司研发体系管理。欧阳先生于2019年9月加入宁德时代新能源科技股份有限公司，目前担任宁德时代新能源科技股份有限公司研发体系联席总裁和创新实验室常务副主任，并于2023年8月起担任董事。在加入宁德时代新能源科技股份有限公司之前，自上世纪90年代以来，欧阳先生一直从事计算材料设计和锂离子电池材料的科学研究，研究工作对锂离子电池材料和产业产生了重要的影响。他于2009年11月起担任江西师范大学教授，并曾于2012年至2015年担任该校首席教授。

图1 石墨与锂金属电极SEI演化对比及界面反应定量分析方法

作者通过示意图对比石墨负极（a）与锂金属负极（b-d）的SEI演化机制：石墨表面形成致密SEI（cSEI）并长期稳定；锂金属因体积变化导致cSEI破裂，持续积累残余SEI（rSEI）造成活性锂损失。实验证明（e），Cu||NMC811电池因恒定LLI速率呈现陡峭容量衰减，而石墨||NMC811电池衰减缓慢。定量分析采用（f-g）T-DEMS（滴定-微分电化学质谱）和E-G&IC（萃取-气相/离子色谱）联用技术，直接表征循环后电极的"死锂"、LiH、Li₂CO₃及剩余电解质组分。该多方法联用策略实现了界面反应产物的定性与定量映射。

图2 Cu||NMC811电池循环中各组分的定量消耗

作者通过T-DEMS和E-G&IC定量分析100次循环后各组分的消耗：（a-d）活性锂主要转化为rSEI而非"死锂"，其中LiH/Li₂CO₃仅占小部分；（e-f）LiFSI质量损失60%，DME损失16%，而TTE保持稳定；（g）关键发现为rSEI中锂积累速率（12.5 μmol/循环）与LiFSI消耗速率（1.6 μmol/循环）比值（7.8:1）低于完全还原的理论值（16:1），表明LiFSI不完全分解；（h-j）XPS证实rSEI中存在F-S键及S⁶⁺/S⁴⁺物种，验证了LiFSI还原中间体的残留。该定量关联揭示了LLI的主因是LiFSI不完全还原消耗额外锂离子。

图3 界面反应路径映射及其与LMBs失效的关联

作者结合模拟与实验阐明失效机制：（a）揭示LiFSI还原（生成LiF/Li₂S等）、DME氧化（正极氧损失产生CO₂）及串扰（CO₂在负极形成Li₂CO₃）三条路径；（b-d）自由能图显示LiFSI还原初期能垒低（0.06 eV），后期能垒高（0.49 eV），动力学缓慢导致中间体积累；（e-h）50μm Li||NMC811电池循环300次后，LiFSI浓度降至0.28M，粘度上升/电导率下降；（i-k）电化学模拟证实放电时正极附近锂离子耗尽（红区扩散），导致容量衰减。该机制指出电解质中锂离子浓度必须维持在临界值以上以支撑稳定循环。

图4 实用化长循环LMBs的非水电解质设计

作者通过三重优化提升循环性能：（a-b）增加锂负极厚度（0→20μm）延长循环至600次，寿命CE从99.64%提至99.86%；（c-d）提升电解液量（1.1→5 g Ah⁻¹）使50μm电池达650次循环；（e）创新电解质迭代：①LiFSI-1.2DME-1.5TTE（盐含量29wt%）因粘度高（8.9 mPa·s）限制性能；②LiFSI-1.2DME-3BTFE（22wt%）凭借低粘度（3.3 mPa·s）使20μm电池实现500次循环；③LiFSI-1.2DME-2.75BZ（37wt%）验证非氟稀释剂可行性。该设计平衡了高盐含量与低粘度，为贫电解液LMB提供新思路。

结论展望

该项研究提出的应用驱动电解质设计策略有效延长了实用条件下LMB的循环寿命，但仍需进一步提高锂金属循环可逆性。设计对锂金属电化学稳定的非水电解质需满足：高还原稳定性、弱溶剂化能以抑制负极降解。先前研究因仅调控溶剂而受限，核心问题在于盐衍生成分的还原行为——需设计高还原稳定性的阴离子盐。另一可行路径是构建电化学-机械稳健的致密SEI（cSEI），使其在循环中保持完整以抑制残余SEI（rSEI）形成。此外，预设计界面/结构的锂宿主材料亦是潜在解决方案，但需兼顾机械完整性与规模化生产可行性。

文献信息

Wang, H., Yan, X., Zhang, R. et al. Application-driven design of non-aqueous electrolyte solutions through quantification of interfacial reactions in lithium metal batteries. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01935-y

来源：MS杨站长