基于锂金属负极（LMA）和高电压/高容量的NCM811正极的锂金属电池（LMBs）有潜力达到电动汽车和电动航空应用所设定的500 Wh kg−1的目标。然而，目前可用的电解液无法同时支持Li | |NCM811电池实现该指标，特别是在高温下运行。
在此，上海交通大学化学化工学院杨军团队通过将不同的官能团集成到一个分子中来设计一种高压高安全性电解质（VSE）。VSE电解质具有约5.6 V的宽电化学稳定性窗口，使Li负极能够实现>99.3%的高库仑效率，Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2纽扣电池在500次循环后保持92%的容量保持率，3.5Ah级的Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2软包电池在极端条件下循环后能够提供531 Wh kg−1的高能量密度，而不会产生任何火焰和膨胀现象。VSE电解质甚至可以使5.0 V Li||LiNi0.5Mn1.5O4电池充放电200次而不会出现容量衰减。
图1. LiFNFSI/FEBFP电解液的设计策略和物理/化学属性
总之，该工作设计了一种独特的单溶剂电解液，基于高氟含量的LiFNFSI盐和带有醚官能团的氟磷酸酯VSE溶剂。得益于包括阻燃磷酸酯、高锂稳定性醚和不可燃氟化物在内的多功能官能团，VSE溶剂展现出了全面的性能，如高沸点、不可燃性、无闪点和令人钦佩的疏水性。
基于此，LiFNFSI在VSE电解液中比FEBFP溶剂更容易在电极表面发生电化学反应，导致形成富含无机物的LiF和具有高致密性和热稳定性的SEI/CEI层。该电解液使得Li||NCM811电池展现出优异的电化学性能，包括在500个循环后保持92%的容量保持率，以及3.5 Ah级软包电池的超高能量密度达到531 Wh kg−1。
此外，VSE电解液也适用于5V级LNMO和商业LiFePO4正极，即使在90℃下。特别地，使用电解液的软包电池在穿钉测试中没有发生任何火焰和膨胀，并且在ARC测试期间将最大热失控温度降低了700℃。因此，该工作极大地推动具有高安全性和高能量密度的LMBs的开发和实际应用。
图2. Li||NCM811和Li||LiFePO4电池的电化学性能
High-voltage and intrinsically safe electrolytes for Li metal batteries, Nature Communications 2024 DOI: 10.1038/s41467-024-51958-7
