发展具有高能量密度的新型能源电池对实现碳达峰、碳中和目标至关重要。锂金属负极被认为是高能量密度电池的最终选择，但是，锂沉积过程中阴离子的不均匀消耗引发空间电荷效应，产生锂枝晶，严重阻碍了锂金属电池的实际应用。近日，江苏师范大学赖超教授和加拿大国立科学研究院孙书会教授团队合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition 上报道了一种具有平面分子结构的钴酞菁新型电解液添加剂，以平埔的方式紧密吸附在锂负极表面上形成致密的分子层用于高性能的锂金属电池。

锂金属负极因其极高的理论容量（3860 mAh•g-1）和最负电位（-3.040 V vs 标准氢电极）而被称为“圣杯”电极。特别是与硫或氧正极配对后，理论上可以获得2000 Wh kg-1以上的超高能量密度。尽管与传统锂离子电池 (LIB) 相比，锂金属电池 (LMB) 在能量密度方面具有优势，但其也存在严重的实际应用瓶颈。例如，锂金属由于高负电势而具有高反应性，这将导致电解质分解并形成不稳定的固体电解质界面 (SEI) 膜。在重复的锂电镀/剥离过程中，不稳定的SEI膜破裂，使得新暴露的锂金属表面与电解液发生反应，导致进一步的副反应。此外，随着锂沉积的进行，锂表面的阴离子浓度将迅速下降。这种剧烈的浓度变化将在负极/电解质界面产生巨大的空间电荷效应，从而产生的电场促进锂枝晶的生长。锂枝晶的不可控生长会产生死锂，甚至刺穿隔膜，导致容量衰减、库仑效率低和安全问题。

图1. (a) 锂离子在有无添加剂存在时在锂表面沉积的示意图。(b) 同步辐射(XANES)技术表征SEI膜。(c) Li|LFP在贫电解液中的长循环性能。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

江苏师范大学和加拿大国立科学研究院团队合作提出的新型电解液添加剂很好的解决了上述问题。酞菁钴电解液添加剂以平铺的方式层层吸附在锂负极表面，形成平面分子级涂层 (图1a, PMCL)。这种PMCL不仅可以与锂离子络合以降低空间电荷效应，提升锂离子的转移数（0.69），还可以抑制锂负极和电解质之间的副反应。此外，该工作还利用同步辐射 (XANES) 技术揭示产生的稳定的固体电解质界面是由非晶LiF和Li2CO3组成 (图1 b)。因此，Li|Li对称电池在3 mAh cm-2的高电镀/剥离容量下，表现出优异的循环稳定性 (700 h)。在LiFePO4高负载量 (9.8 mg cm-2)和贫电解液 (3 µL mg-1) 条件下，200次循环后可表现出97.8 mAh g-1的高放电容量 (图1 c)。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，第一作者是加拿大国立科学研究院的博士研究生戴宏柳。

来源：X-MOL