不到一个月，这个组出手又是一篇Nature Energy！

第一作者：Weijiang Xue

通讯作者：Yanhao Dong, Yang Shao-Horn, Jeremiah A. Johnson, 李巨

通讯单位：麻省理工学院

高能量密度型锂离子电池在消费类电子产品和电动交通工具等领域具有重要应用。高电压高镍三元正极搭配锂金属负极，是一种有效的提高锂电池能量密度的方案。但是，该方案存在诸多挑战。当充电截止电压提高后，高镍三元材料会出现不可逆相变、界面副反应加剧和过渡金属离子溶出等诸多问题；而锂金属负极一直以来受到库伦效率低和锂枝晶等因素限制，难以商业化应用。

美国麻省理工学院（MIT）的李巨教授等人认为上述问题与电解液密切相关，提出了一种磺酰胺类的电解液，用于缓解在高电压下高镍三元正极和锂金属负极的失效，相关研究成果发表在Nature Energy上。

文中，作者设计了一种1 M LiFSI/DMTMSA电解液（图一），这种电解液具有良好的离子传导率、耐氧化性和隔膜浸润性，并且能有效增强锂金属负极的SEI稳定性。在3.0-4.7 V的充放电测试中，使用了该电解液的NMC811-Li电池的放电比容量在0.1 C时达到了231 mAh g^-1，在0.5C下循环100次的容量保持率和平均库伦效率分别为88.1%和99.65%。而采用普通电解液的对照组在0.5C下循环100次的容量保持率和平均库伦效率分别为76.1%和98%。

Fig. 1 | NMC811-Li电池的电解液体系对比图。

作者分析了磺酰胺电解液对NMC811正极的稳定机制。电化学质谱（DEMS）和元素分析（ICP-MS）结果显示，磺酰胺电解液体系比普通电解液体系产气和过渡金属离子溶出的量更少。光电子能谱（XPS）表明，磺酰胺电解液可能在正极材料表面形成了类似LiF无机化合物的CEI膜，抑制了高电压下正极与电解液界面的副反应。

作者对高电压循环后的正极材料的结构分析发现，磺酰胺电解液体系的NMC811二次颗粒的破碎程度明显更少，并且表面相变层厚度较低，大部分区域保持了完好的层状结构。X-射线近边吸收谱成像（TXM-XANES）结果表明，磺酰胺电解液体系的4.7 V充电态的正极材料平均Ni价态更高，且价态分布更加均匀，说明材料中Ni的重构和相变更少。

Fig. 2 | Electrochemical performances of Li || NMC811 cells using different electrolytes

Fig. 3 | Characterizations of cathode–electrolyte side reactions and CEIs at 4.7 V cut-off voltage.

作者对磺酰胺电解液稳定锂金属负极的原因进行了解释。采用该电解液的Li-Cu电池循环345次的平均效率达到了99%，Li-Li对称电池的极化程度明显小于普通电解液体系。SEM和XPS定量分析表明，磺酰胺电解液可诱导锂金属表面形成更加均匀和致密的SEI层，有助于减少死Li量，提高Li沉积/剥离的可逆性。

综上所述，作者设计了一种新型的磺酰胺电解液，可有效提升高镍三元正极和锂金属负极在高电压循环下的稳定性。磺酰胺电解液不仅可在正极材料表面形成更多的LiF无机CEI层，抑制正极材料的界面副反应、产气和金属溶出；还能够延缓正极二次颗粒的破碎和表面微结构的不可逆相变。同时，磺酰胺电解液能够修饰锂离子在锂金属负极上的沉积形貌，降低锂金属粉化，大大提升了锂金属负极的循环稳定性。由此可见，通过电解液设计来解决正负极材料在电化学循环中的问题，或许是一种行之有效的策略。

Fig. 4 | Structural characterizations of the cycled NMC811 cathodes with different electrolytes.

Fig. 5 | Proposed stress-corrosion cracking (SCC) mechanism for polycrystalline cathodes and its suppression by limiting reaction-product solubilities in the liquid electrolyte.

Fig. 6 | Electrochemical performance and characterizations of the LMA in different electrolytes.

Fig. 7 | Electrochemical performance of Li || NMC811 cells under practical conditions.

参考文献：

Xue, W., et al. (2021). "Ultra-high-voltage Ni-rich layered cathodes in practical Li metal batteries enabled by a sulfonamide-based electrolyte." Nature Energy.

DOI: /10.1038/s41560-021-00792-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00792-y