金属锂比容量高（3860 mAhg^-1）、工作电位低（与标准氢电极相比为-3.04V），是一种极具应用前景的高比能二次电池负极材料。然而，较差的循环稳定性阻碍了其实际应用。由于金属锂高的反应活性及充放电过程中大的体积变化，金属锂负极与电解液持续发生副反应，造成活性锂和电解液的不断消耗，并伴随着锂枝晶和死锂的形成及电极的粉化。研究表明在金属锂负极表面构筑氟化界面能有效抑制电极/电解液之间的反应，进而提高金属锂负极的电化学稳定性，助力实现稳定的高比能锂金属电池。

近日，华中科技大学孙永明教授课题组设计了一种富氟化锂（LiF）锂金属复合负极，揭示了LiF溶解-再沉淀的Li金属界面保护机制，动态构筑了稳定致密的金属锂氟化界面，实现了薄锂金属负极的长循环寿命和高库伦效率。所实现的氟化界面不仅能抑制电极与电解液的副反应，还能促使金属锂在电极表面发生平面沉积行为，实现了稳定的电极结构，提升了金属锂负极的循环稳定性，该种构筑稳定氟化界面机制在概念上不同于所报道的其他机制（图1a）。利用了氟化锡（SnF₂）与金属Li之间的自发反应，通过将二者反复机械糅合，制备出Li/Li₂₂Sn₅/LiF复合锂金属负极。LiF超细纳米颗粒在该电极中均匀分布。LiF微溶于碳酸酯类电解液溶剂（例如碳酸乙烯酯和氟代碳酸乙烯酯），其溶解-沉淀平衡能使在金属锂活性表面动态析出，帮助构筑富含LiF 的固态电解质界面层（SEI）。此外，复合电极中高离子/电子导电率的Li₂₂Sn₅合金骨架，有助于加快载流子的传输，抑制锂枝晶的形成。所制备的Li/Li₂₂Sn₅/LiF电极表现出优异的电化学性能：在1 mA cm^-2和1 mAh cm^-2的条件下，Li/Li₂₂Sn₅/LiF复合电极在碳酸酯电解液中50次循环的平均库仑效率高达99.2%，而在相同测试条件下纯Li电极仅为96%。在1 mA cm^-2和2 mAh cm^-2条件下，Li/Li₂₂Sn₅/LiF对称电池的循环寿命超过1600小时，远远高于纯Li电极的300小时。使用超薄厚度（80 μm）的复合负极匹配面容量为4.0 mAhcm^-2的LiCoO₂正极组装了低负极活性物质面容量/正极活性物质面容量（N/P比为2:1，）的全电池，在0.5C充放电倍率和宽的工作电压（2.8-4.5 V）区间内展现出高的容量保持率（100次循环的容量保持率高达91.1%）。

图1.(a) LiF溶解-再沉淀机制构筑氟化界面提升Li/Li₂₂Sn₅/LiF复合电极循环稳定性示意图；(b)纯Li电极循环示意图；(c) Li/Li₂₂Sn₅/LiF和纯Li电极的平均库伦效率测试曲线，插图为50 µm复合电极的光学照片；(d) Li/Li₂₂Sn₅/LiF和纯Li电极平均库伦效率和成核过电位对比；(e) Li/Li₂₂Sn₅/LiF和(f)纯Li电极表面锂沉积SEM图。

图2.(a) Li/Li₂₂Sn₅/LiF和(b)纯Li电极对称电池在60 ℃静置不同时间的Nyquist曲线；(c) Li/Li₂₂Sn₅/LiF和(d)纯Li样品在60 ℃静置14天的SEM对比图；(e) Li/Li₂₂Sn₅/LiF和(f)纯Li电极对称软包电池在60 ℃静置不同时间的超声成像图；(g) Li/Li₂₂Sn₅/LiF和(h)纯Li电极对称软包电池在60 ℃静置静置14天后的光学照片。

相关研究以《Locking Active Li Metal through Localized Redistribution of Fluoride Enabling Stable Li Metal Batteries》为题发表在 Advanced Materials 上。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207310