溶剂氟化可以提高锂离子电池中电解液对锂负极和高电压正极的电化学稳定性。
然而，氟化如何影响Li+-溶剂化和界面化学仍然不清楚，这阻碍了具有宽电化学稳定窗口和快速离子传输动力学的电解液和界面的合理设计，而这些是能量密度高、充电速度快的锂离子电池所必需的条件。
2025年5月21日，南方科技大学邓永红，江西赣锋锂电科技股份有限公司崔言明，华南理工大学王朝阳，SolidEnergy Systems麻省固体能源公司徐康在国际期刊Nature Communications上发表了题为《High-energy and fast-charging lithium metal batteries enabled by tuning Li+-solvation via electron-withdrawing and lithiophobicity functionality》的研究论文，Guangzhao Zhang为论文第一作者，邓永红、崔言明、王朝阳、徐康为论文通讯作者。
该论文在1,2-二甲氧基乙烷的一端引入三氟甲基(-CF3)，生成1,1,1-三氟-2-(2-甲氧基乙氧基)乙烷。当溶解2mol/L的双(氟磺酰基)酰亚胺锂时，这种化合物作为电解液的单一溶剂，同时满足了能量密集型和快速充电的要求。
除了-CF3的电子吸引效应外，研究还发现其对Li+的疏锂性质显著改变了溶剂化结构，这有利于形成以阴离子为主的簇，从而导致层状结构中优越的界面化学和快速的Li+传输动力学。
在这种电解液中，采用50μm厚的Li||高负载NMC811构建的纽扣和软包电池配置在快速充电条件下实现了超过400次的循环，并且在14Ah级别的工业软包电池中实现了超过100次循环，该电池具有超过510Whkg-1的高能量密度。
图1：a）：不同溶剂分子的化学结构设计、电静势（ESP）以及相关性质，与DME和二氟甲基取代的DMEE相比，TMEE具有更低的HOMO能级，更合适的密度和沸点，有利于电解液的应用；b）：通过Aurbach方法测试了不同电解液的锂金属沉积/剥离效率（CE）；c）：不同电解液在全沉积/剥离条件下的Li||Cu电池的长循环性能；d）：LSV评估了不同电解液的氧化稳定性；e）：不同电解液在2.8-4.4 V电压范围内、0.3C/0.5C充放电速率下的Li||NCM811纽扣电池的循环性能。
图2：a）：计算了DME、DMEE和TMEE溶剂分子与Li+的结合能；b）：TMEE-2M中氟原子的化学位移在加入LiFSI后发生了下场位移，表明Li+与氟原子之间存在排斥力；c）：19F NMR光谱显示，TMEE-2M中FSI–的化学位移在加入LiFSI后发生了变化，表明更多的FSI–参与了Li+的溶剂化壳层；d）：1H NMR光谱显示，TMEE-2M中质子的化学位移在加入LiFSI后发生了去屏蔽效应，而DME和DMEE则相反，表明TMEE中Li+的溶剂化结构发生了显著变化；e）：MD模拟揭示了TMEE-2M电解液中Li+的溶剂化结构；f）：RDF显示，Li+与FSI–的配位数高于与TMEE的配位数，进一步证实了阴离子主导的溶剂化结构；g）：拉曼光谱显示，TMEE-2M电解液中离子聚集体（AGGs）的比例最高（69.9%），而SSIPs和CIPs的比例较低，这有利于形成高质量的SEI。
图3：a-d）：SEM研究不同电解液中沉积的Li金属的形貌；e）：不同电解液在2mAcm-2（容量：2mAhcm-2）下的Li||Li对称电池的循环性能；f-h）：SEM观察了不同电解液中循环100次后的Li金属形貌，TMEE-2M电解液中循环后的Li金属保持了致密均匀的沉积，而DME-2M电解液中循环后的Li金属表面粗糙多孔；i-j）：AFM研究了不同电解液中沉积的Li金属的表面粗糙度。TMEE-2M电解液中沉积的Li金属表面粗糙度仅为12nm，远低于DME-2M电解液中的128nm；k-l）：AFM研究不同电解液中形成的SEI的表面模量分布，TMEE-2M电解液中形成的SEI具有均匀的模量分布，而DME-2M电解液中形成的SEI模量分布不均匀。
图4：a-e）：冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）观察不同电解液中形成的SEI的纳米结构，TMEE-2M电解液中形成的SEI为均匀连续的双层结构，厚度约为15nm，外层富含Li2O，内层为非晶态。f-h）：DME-2M电解液中形成的SEI为非均匀松散结构，厚度约为33nm，主要由非晶态基质和小尺寸的Li2O颗粒组成；i-j）：不同SEI的锂金属保护机制。TMEE-2M电解液中形成的SEI外层由大尺寸的Li2O晶体构成，能够有效防止电解液渗透和锂金属腐蚀，同时促进Li+的扩散和迁移，实现均匀的锂金属沉积。
图5：a）：不同电解液在2.8-4.4V电压范围内的Li||NCM811纽扣电池的倍率性能；b-d）：TMEE-2M电解液在不同倍率下的长循环性能。在0.3C/2C充放电速率下，TMEE-2M电解液在500个循环后保持了80%的容量保持率；在1C充放电速率下，TMEE-2M电解液在450个循环后保持了88%的容量保持率；e-g）：TMEE-2M电解液在高温（60°C）条件下的循环稳定性和存储性能；TMEE-2M电解液在60°C下150个循环后保持了70%的容量保持率，而DME-2M电解液仅维持60个循环；h-j）：TMEE-2M电解液在实际应用中的潜力。
图6：a）：MD和DFT模拟计算了不同电解液中Li+的脱溶剂化能，TMEE-2M电解液中Li+的脱溶剂化能显著低于DME-2M电解液，表明TMEE-2M电解液具有更低的电荷转移阻抗；b）：不同溶剂分子在锂金属表面的吸附能；c）：松弛时间分布（DRT）分析了不同电解液中Li+的脱溶剂化行为。TMEE-2M电解液在10和150个循环后的电荷转移阻抗（Rct）显著低于DME-2M电解液，表明TMEE-2M电解液中Li⁺的脱溶剂化行为更快。
该研究通过在1,2-二甲氧基乙烷（DME）的一端引入三氟甲基（-CF3），合成了一种新型的电解液溶剂1,1,1-三氟-2-(2-甲氧基乙氧基)乙烷（TMEE），并将其用于锂金属电池中，以改善电池的电化学稳定性和快速充电能力。
研究发现，TMEE溶剂通过其电子吸引效应和对锂离子的排斥特性，显著改变了锂离子的溶剂化结构，促进了阴离子主导的团簇形成，从而在锂金属阳极和高电压阴极表面形成了高质量的双层结构固体电解液界面（SEI），实现了快速的锂离子传输动力学。
该成果不仅为设计高性能锂金属电池电解液提供了新的策略，也为实现高能量密度、快速充电的锂金属电池的实际应用奠定了基础。
Zhang, G., Zhang, T., Zhang, Z. et al. High-energy and fast-charging lithium metal batteries enabled by tuning Li+-solvation via electron-withdrawing and lithiophobicity functionality. Nat Commun 16, 4722 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59967-w.
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