锂 (Li) 金属电池 (LMB) 有望成为高能量密度可充电电池。然而，高活性锂和非水电解质反应形成的锂枝晶会导致安全问题和容量快速衰减。开发可靠的固体电解质界面对于实现高倍率和长寿命的 LMB 至关重要，但在技术上仍具有挑战性。

鉴于此，华南理工大学丘勇才教授（2023年12月逝世，年仅40岁）、严克友教授、中科院物理所李泓教授、浙江工业大学陶新永教授证明，在商用含 LiPF6 的 LMB 碳酸盐电解质中添加过量的 m-Li2ZrF6（单斜）纳米颗粒，有助于在施加电压的驱动下将大量 ZrF62– 离子释放到电解质中，转化为 t-Li2ZrF6（三角）并原位创建具有高锂离子电导率的稳定固体电解质界面。计算和低温透射电子显微镜研究表明，原位形成的富含 t-Li2ZrF6 的固体电解质界面显著增强了锂离子的转移并抑制了锂枝晶的生长。因此，用 LiFePO4 正极（面积负载，1.8/2.2 mAh cm-2）、三维锂碳负极（50 µm 厚的锂）和基于 Li2ZrF6 的电解质组装的 LMB 在 3000 次循环（1C/2C 速率）后显示出大大改善的循环稳定性和高容量保持率（>80.0%）。这一成果代表了领先的性能，因此，为实际高速率条件下耐用的 LMB 提供了可靠的基于 Li2ZrF6 的电解质。相关研究成果以题为“Li2ZrF6-based electrolytes for durable lithium metal batteries”发表在最新一期《Nature》上。本文一作为丘勇才教授课题组博士毕业生徐庆帅，共同一作为华南理工大学Li Tan和温州大学Ju Zhijin 。

该论文第一完成单位为华南理工大学，徐庆帅博士为第一作者，丘勇才、严克友教授领导了该项目团队，严克友为通讯作者。昆明理工大学李坦副教授、温州大学居治金教授为共同第一作者。浙江工业大学陶新永教授、中国科学院物理研究所李泓研究员、北京航空航天大学郭林教授为共同通讯作者。该工作得到了海外高层次人才计划、国家自然科学基金和重点研发计划，广东省创新创业团队及青年拔尖人才计划、兴华人才计划的基金的大力支持。

丘勇才，男，本硕博分别毕业于广东海洋大学、华南师范大学、香港科技大学，2012年起先后在香港科技大学、斯坦福大学与中国科学院纳米所、香港中文大学从事博士后研究工作，2017年7月起任华南理工大学环境与能源学院教授。

公开资料显示，丘勇才博士入选第十三批国家，曾在国际顶级期刊Sci. Adv., Angew. Chem., Adv. Mater., Nano Lett.等上发表学术论文90多篇, SCI他引4500余次。研究方向为光/电/热催化、原位电镜表征、电化学储能器件等。

据学院官网资料，近年，丘勇才主持/参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、海外高层次引进青年人才、广东珠江人才创新创业团队项目等9项，总经费达1600万元，曾获得广东省科学技术奖（自然科学类）二等奖。指导博士后2名，博士生6名，硕士生7名。

锂金属电池凭借锂金属负极极低的电化学还原电位和超过高的理论比容量，而被认为是最有潜力的下一代电池候选者，它有潜力将现有锂离子电池的能量密度提升一倍。然而目前，基于锂离子电池的碳酸酯基电解液体系，与锂金属电池仍然无法很好地兼容。其根本原因在于，目前的商业电解液无法在锂金属负极表面形成稳定的固态电解质界面。这种缺陷不仅会造成锂枝晶的生长，带来电池爆炸的风险，还会严重影响锂金属电池的循环寿命。如何在锂金属负极界面表面构建同时具有高电子绝缘性、高离子电导率和高化学稳定的理想型固态电解质界面，一直是这一研究中的关键难题。

该工作创新点和作用机理示意图

针对以上难点，研究团队基于理论计算，验证了以t-Li2ZrF6 晶体构建理想型固态电解质界面的可行性，首次提出用电场驱动m-Li2ZrF6 转化为t-Li2ZrF6来构筑固态电解质界面的策略。相关实验表明，这一策略不仅能够凭借优异的电子绝缘性阻止电子击穿固态电解质界面进而抑制电解液的分解，还能够为Li+ 提供快速迁移的通道，提高锂金属电池的倍率性能。此外，t-Li2ZrF6晶体表面丰富的亲锂位点能够和其内部的离子通道一起，诱导锂金属均匀沉积，抑制锂枝晶的生长，从而提高锂金属电池的安全性。同时，过量m-Li2ZrF6添加剂不仅能够改善传统添加剂在循环中被耗尽的缺陷，还能够通过ZrF62-离子及时修复破损的固态电解质界面，为锂金属负极的界面稳定性提供长期保护。

基于上述优势，m-Li2ZrF6纳米添加剂能够使Li||LiFePO4电池在普通商业碳酸酯电解液中，以2C的倍率稳定循环3000次，且拥有超过80%的容量保持率。这项工作为锂金属负极界面保护提供了新的研究材料和思路。

华南理工大学环境与能源学院具有“环境科学与工程”一级学科博士学位授予权，本科专业“环境工程”入选国家一流专业建设。环境科学/生态学2017年进入全球ESI前1%。学院下设水工、水处理、大气、土壤、固废、污控、生态、新能源、环能、环境健康共10个教研所。建有国家工程实验室、教育部重点实验室、省重点实验室等20个高水平创新科研平台。学院面向国家战略重大需求，充分发挥“源头减排、过程控制、末端治理”全过程污染控制优势，先后承担一大批国家重点重大类科研项目和工程类项目，获国家科技奖励4项、省部级一等奖30余项、国家专利奖9项，有力支撑国家和湾区经济社会发展和生态文明建设。

环境与能源融合教研所，面向国家重大需求和“双碳”目标，围绕能源与环境交叉领域的新材料、新器件和新技术开展研究。主要研究内容包括：太阳能高效转换、储存和绿色利用技术；光电热、生物质环境催化净化及其再生技术；废旧新能源材料和器件的绿色回收和资源化循环再利用技术。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08294-z

发布来源：华南理工大学，高分子科学前沿