第一作者：Youwei Wang (王有为)

通讯作者：Wei Yang (杨威); Liu Yang (杨柳); Jianping Long (龙剑平); Anjun Hu (胡安俊)

通讯单位：成都理工大学

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研究背景

锂金属电池因其高能量密度被视为下一代储能体系的有力候选，但其实际应用受限于锂枝晶生长和界面不稳定性等挑战。传统碳酸酯电解液形成的固态电解质界面（SEI）富含有机物、结构疏松，难以适应锂沉积/剥离过程中的剧烈体积变化。

文章简介

针对这些难题，成都理工大学龙剑平教授、胡安俊副教授课题组在国内期刊Journal of Energy Chemistry (1区top，IF：14.9) 发表题为“Constructing LiF-rich interfaces via lithiophobic dilution-induced solvation reconstruction for stable lithium metal batteries”的研究论文。该研究提出了一种疏锂稀释诱导溶剂化重构（LDSR）策略，通过引入弱配位、电化学稳定的稀释剂五氟苯基醚（FBEN），重构Li⁺溶剂化结构，促进PF₆⁻进入第一溶剂化鞘层，形成阴离子主导的溶剂化结构，诱导形成致密、富LiF的无机SEI层。基于该策略，Li||Li对称电池在1 mA cm⁻²下稳定循环超过650小时，Li||NCM811全电池在1 C下循环400次后容量保持率达80%，在5 C高倍率下循环300次后仍保持67%的容量。该工作为通过分子层面调控溶剂化结构以提升锂金属电池性能提供了新思路。

图 1. FBEN 引发的溶剂化重构机制示意图。

本文要点

要点1：疏锂稀释剂FBEN诱导溶剂化结构重构的机制

FBEN因其氟原子的强吸电子效应，表现出对Li⁺极低的配位倾向，其主要存在于体相电解液或Li⁺的外溶剂化层中。这种“稀释效应”打破了原有的Li⁺-溶剂配位平衡，根据勒夏特列原理，系统为补偿被削弱的配位强度，促使更多的PF₆⁻阴离子进入Li⁺的第一溶剂化鞘层，从而构建起一个由接触离子对和离子聚集体主导的阴离子主导型溶剂化结构。这一根本性重构为后续形成无机富集的SEI奠定了结构基础。

图 2. 对 BE 和 BE-FBEN 电解质体系中溶剂化结构的多尺度分析。

要点2：多尺度表征与模拟验证溶剂化结构演变

通过拉曼光谱、FTIR和核磁共振等一系列光谱学表征，直接观测到了FBEN引入后溶剂化结构的显著变化：Li⁺-EC的配位特征峰发生蓝移，表明其相互作用减弱；而PF₆⁻的振动峰则发生红移，证实了Li⁺与PF₆⁻的配位增强。分子动力学模拟及其径向分布函数分析进一步从理论上量化了这一转变：FBEN自身几乎不参与配位，但使得Li⁺与PF₆⁻的配位数显著增加。这些实验与模拟结果相互印证，共同证实了LDSR策略成功地将溶剂化结构从传统的溶剂主导转变为阴离子主导。

图3. 不同电解质条件下锂||锂对称电池的电化学性能及界面行为。

要点3：富LiF、高稳定SEI的原位构筑与界面优化

溶剂化结构的重构直接决定了界面反应的路径。阴离子主导的溶剂化鞘使得PF₆⁻能够在锂负极表面优先还原，从而原位构筑起一层致密、均匀且富含LiF的无机SEI层。XPS深度剖析显示，与基础电解液相比，FBEN改性电解液形成的SEI中LiF含量显著提升，而有机组分（如C-O、C=O）含量则大幅降低。这种富LiF的SEI具有高的离子电导率和优异的机械强度，不仅能有效促进锂离子均匀传输，还能抑制锂枝晶的刺穿。扫描电镜和原位光学显微镜观察直观地证实了这一点：FBEN体系下锂沉积呈现平整、致密的形貌，而对比组则迅速生成枝晶和苔藓锂。

图 4. 不同电解质条件下Li||NCM811 电池的电化学阻抗和动力学分析。

要点4：增强的界面动力学与全电池电化学性能

优化的界面化学带来了卓越的电化学动力学表现。Tafel测试表明，FBEN体系的交换电流密度（0.68 mA cm⁻²）显著高于基础电解液（0.25 mA cm⁻²），揭示了更快的界面电荷转移动力学。同时，锂离子迁移数从0.58提升至0.72。这主要归因于阴离子主导的溶剂化结构中，Li⁺与PF₆⁻相互作用增强，有效抑制了阴离子的自由迁移，从而提升了锂离子的传输效率。此外，通过阿伦尼乌斯方程拟合得到，FBEN体系的离子传输活化能显著降低至0.13 eV（基础电解液为0.21 eV），证明LDSR策略构建的弱溶剂化环境有效降低了Li⁺的迁移能垒。

图 5. 不同电解质条件下Li||NCM811 电池的电化学性能及循环稳定性。

要点5：Li||NCM811电池性能验证卓越的循环与倍率能力

增强的界面动力学和稳定的SEI最终在实用化电池中转化为优异的性能。Li||NCM811全电池在1C倍率下循环400次后，容量保持率高达80%，展现出卓越的循环稳定性。即使在高倍率（5C）的严苛条件下循环300次，仍能保持67%的初始容量，证明了其出色的快充能力和耐久性。相应的充放电曲线和dQ/dV分析表明，该体系具有更低的极化和更稳定的相变过程。最终，基于该电解液组装的软包电池在200次循环后容量保持率达83%，并能成功点亮LED器件，充分验证了LDSR策略的实际应用潜力与工程化前景。

结论

本研究成功提出并验证了一种名为“疏锂稀释诱导溶剂化重构（LDSR）“的创新电解质设计策略。通过在传统碳酸酯电解液中引入弱配位、电化学稳定的五氟苯基醚（FBEN）作为稀释剂，我们实现了对Li⁺初级溶剂化鞘层结构的精准调控。为解决锂金属电池的界面不稳定问题提供了一条新颖且高效的路径，为开发下一代高能量密度、快充锂金属电池的电解质设计奠定了坚实的理论与实验基础。

文章链接

Youwei Wang, Zhen Wang, Jingze Chen, Yupeng Feng, Xin Zhang, Yifan Deng, Xiangsong Jiang, Pan Zeng, Wei Yang*, Liu Yang*, Jianping Long*, Anjun Hu*. Constructing LiF-rich interfaces via lithiophobic dilution-induced solvation reconstruction for stable lithium metal batteries (2025).

https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.11.038

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