华科大张恒AEM：新型锂盐设计实现超强聚合物基锂金属电池

在过去的五十年里，由于固态聚合物电解质（SPE）具有优越的柔性、良好的加工性能和无泄漏性，利用SPE的可充锂金属电池（LMPBs）得到了越来越多的关注。毋庸置疑，在所有SPE成分中，盐阴离子对LMPB的整体性能有重大影响。

然而，双三氟甲磺酰亚胺锂（普遍应用于目前的SPE中）对锂金属负极的界面稳定性相对较差，这大大阻碍了LMPBs的长期循环稳定性。

图1. 设计理念

华中科技大学张恒等鉴于n-非氟丁苯磺酰基的特殊成膜能力，巧妙地选择了一种类四氟乙烯磺酰亚胺盐，即双（n-非氟烷丁苯磺酰基）酰亚胺锂（LiNFSI），以用于调节负极侧固体-电解质界面相的特性。这主要是受到以下考虑的启发。

1）NFSI-阴离子中多氟烷基链的电化学还原可能会产生类似特氟隆的氟聚合物[例如，(-CF_x-CF_x-)_n]，这可以使形成的SEI层具有卓越的柔性和化学稳定性；

2）多氟烷基的强电子吸收能力（例如n-C₄F₉-）和磺酰亚胺结构（-SO₂-N^(-)-SO₂-）中负电荷的脱域，可以改善锂盐的解离，从而确保锂离子在SPE中的传输；

3）提议的LiNFSI盐具有化学稳定性，也能抵抗潮湿和其他湿气，这有利于其在LMPB中的实际应用。

图2. 利用特氟隆类阴离子的锂负极-电解质界面的机理研究

研究结果表明，NFSI-与流行的TFSI-阴离子的共同使用可使锂负极的界面稳定性显著提高[短路时间：954小时（LiNFSI-LiTFSI/PEO） vs. 791小时（LiNFSI/PEO）vs. 124小时（LiTFSI/PEO）]，但对传输特性的影响很小。此外，机理研究表明，NFSI-阴离子的还原分解产生了氟化低聚物/聚合物和LiF，这可以有效提高所获得的SEI层的机械化学稳定性。

特别是，将类似特氟隆的NFSI-阴离子与流行的TFSI-阴离子相结合的共盐体系可以抑制TFSI-阴离子的不必要的分解，并进一步调节SEI层的弹性和传输性能。因此，相应的Li||LiFePO₄电池在不同的倍率下提供了前所未有的增强循环能力而没有枝晶的形成（例如，超过300次循环的平均CE值>98%）。

该工作表明，巧妙的盐阴离子化学结构设计和共盐策略可以成为调节电极-电解质界面的有效方法，从而解决普遍存在的LMPB和其他类型的可充金属电池所遇到的界面问题。

图3. Li||LiFePO₄电池性能

Design of a Teflon-Like Anion for Unprecedently Enhanced Lithium Metal Polymer Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202204085

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华科大张恒AEM：新型锂盐设计实现超强聚合物基锂金属电池

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