近日美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)在其官方網站上發(fā)布了一條重磅消息，PNNL開發(fā)了一款高性能鋰金屬電池電解液，能夠將鋰金屬電池的使用壽命提高7倍以上，PNNL表示該項目隸屬于“Battery500 consortium”計劃，該計劃旨在開發(fā)比能量是目前鋰離子電池3倍以上的高可靠、長壽命和低成本的鋰金屬電池，從而使電池組的比能量達到500Wh/kg以上。但是國內許多媒體卻將其解讀為“PNNL開發(fā)了一款電解液，讓電池壽命提高7倍”，絕口不提金屬鋰電池，顯然存在誤導讀者的嫌疑。

金屬鋰電極的理論比容量達到3860mAh/g，電勢只有-3.04V(vs標準氫電極)，是一種非常理想負極材料，但是金屬鋰負極卻存在一個致命的缺陷——金屬鋰枝晶。為了解決鋰枝晶的問題人們提出了多種解決方案，電解液優(yōu)化是一種常見的方法，通過在電解液中加入一些含F化合物，例如(C2H5)4NF(HF)4、氟代碳酸乙烯酯等能夠顯著提高金屬Li表面SEI膜的穩(wěn)定性，高濃度的Li鹽也被證明是一種非常有效的方法，例如高濃度的LiTFSI電解液能夠顯著抑制Li-S電池中鋰枝晶的生長。雖然高濃度電解液有利于提升金屬Li負極的性能，但是也會帶來負面的影響，例如電解液粘度增加、離子電導率下降，同時也會增加電解液的成本。

近日，美國太平洋西北國家實驗室PNNL的Shuru Chen等人提出了一種局部稀釋的解決方案，也就是在高濃度電解液中加入部分電化學穩(wěn)定的稀釋劑，電解液中的Li鹽不會溶解在這些稀釋劑之中，但是高濃度電解液中的溶劑卻能夠與稀釋劑相互溶解，因此“稀釋”后的電解液會形成局部的高濃度區(qū)和局部的低濃度區(qū)，從而在保留高濃度電解液的優(yōu)良特性的情況下，解決了高濃度電解液存在問題。在這一理念的指導下，Shuru Chen等設計了一款在金屬Li負極和4V正極體系中穩(wěn)定工作的電解液，很好的抑制負極Li枝晶的生長，將金屬Li/NCM111電池的循環(huán)壽命提升了7倍以上，大大提高金屬Li電池的實用性。

實驗中Shuru Chen采用雙(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)對5.5MLiFSI/DMC電解液進行稀釋，獲得了不同LiFSI濃度的局部稀釋電解液。下圖為采用不同電解液Li/Cu電池的庫倫效率對比圖，從圖中可以看到1.2MLiFSI/DMC電解液的庫倫效率非常低，僅為9%左右，如果把LiFSI濃度提高到5.5M，電池的庫倫效率立刻就提高到了99.2%，可見高濃度的LiFSI電解液對于提升金屬Li負極的性能具有明顯的作用。當在電解液中添加了部分BTFE后，即便是將LiFSI的濃度降低到2.5M和1.2M仍然能夠保持較高的庫倫效率(分別可以達到99.5%和99.2%)，這說明局部稀釋電解液對于抑制Li枝晶的生長，提高庫倫效率具有顯著的作用。

下圖為不同電解液循環(huán)后的電極的SEM圖片(圖a，e為傳統(tǒng)的LiPF6電解液，圖b，f為1.2MLiFSI/DMC，圖c，g為5.5MLiFSI/DMC電解液，圖d，h為1.2MLiFSI/DMC-BTFE電解液)，從圖中我們能夠看出在傳統(tǒng)的LiPF6電解液和1.2M的LiFSI電解液中金屬Li呈現出疏松、多孔的狀態(tài)，并且伴隨著Li枝晶的生長，但是在局部稀釋電解液1.2MLiFSI/DMC-BTFE的電極中我們能夠觀察到主要是由直徑達到5um左右的Li顆粒組成，沒有Li枝晶的生長。從這些電極的橫切面我們也能夠看到不同電解液對金屬Li負極的影響，在1.2MLiFSI/DMC-BTFE電解液中的電極厚度要明顯低于其他電解液中的金屬Li負極(面密度相同)，這說明在局部稀釋電解液中金屬Li負極能夠形成更加致密的結構，從而減少副反應的發(fā)生，提升庫倫效率和循環(huán)壽命。

為了驗證上述電解液在高電壓體系下的穩(wěn)定性，Shuru Chen以金屬Li為負極，NMC111材料為正極(2mAh/cm2，4.3V)制作的全電池，下圖為采用不同電解液的全電池的電化學性能。從圖a中我們可以看到在1C充放電倍率下，采用傳統(tǒng)電解液的電池出現了極化快速增加、壽命迅速衰降的現象(循環(huán)100次，容量保持率僅為40%)。高濃度5.5MLiFSI/DMC電解液雖然對提升金屬Li負極的庫倫效率有一定的幫助，但是在循環(huán)中仍然出現了持續(xù)的極化增加和容量衰降現象，最終循環(huán)100次容量保持率僅為76%左右，這可能是由于過高的Li鹽濃導致電解液粘度增加、離子電導率下降、潤濕性變差造成的。而局部稀釋電解液在循環(huán)中表現出了優(yōu)異的循環(huán)性能(循環(huán)300次，容量保持率可達95%左右，循環(huán)700次容量保持率>80%)。

針對上述電解液作用機理的研究發(fā)現，LiFSI與BTFE之間的作用力要明顯弱于LiFSI與DMC之間的作用力，因此LiFSI更傾向于DMC發(fā)生溶劑化反應，這就在電解液內形成了局部的高濃度LiFSI-DMC區(qū)域，保證了金屬Li電池的性能。此外在高濃度的LiFSI-DMC中加入部分的BTFE后能夠提高Li+的擴散能力，降低FSI-的擴散能力，從而提高電解液的倍率性能。前線軌道理論計算也顯示FSI-會先于DMC在負極表面發(fā)生分解，從而產生LiF含量更高的SEI膜，從而穩(wěn)定金屬Li負極與電解液的界面，提升金屬Li電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

ShuruChen等人從獨特的視角出發(fā)，通過局部稀釋的方法，在低濃度電解液中保留了局部的高濃度Li鹽區(qū)域，這樣做的好處是不僅保持了高濃度Li鹽在抑制Li枝晶生長，提高金屬Li電池庫倫效率方面的優(yōu)勢，還避免了高濃度電解液高粘度、低離子電導率，以及高成本的缺點，實現了Li/NMC電池穩(wěn)定循環(huán)700次這一重大成果，對于開發(fā)高比能金屬Li電池，提升電動汽車續(xù)航里程具有重要的意義。