锂（Li）金属作为一种电池负极材料，因其高理论比容量和低标准还原电位而备受瞩目。然而，锂金属电池（LMBs）在实际应用中仍面临库仑效率低和循环稳定性不足的问题，限制了其商业化的进程：
（1）LMBs库仑效率低和循环稳定性差的问题，主要源于负极表面固态-电解质界面（SEI）层的不稳定。SEI层对于防止负极与电解质之间的进一步反应至关重要，但在循环过程中容易开裂，导致Li枝晶生长、“死”Li形成、Li库存不可逆损失以及过量SEI形成，不仅降低了电池的循环寿命，还影响了其性能表现。
（2）为提高LMBs的库仑效率和循环稳定性，合理的电解质设计成为关键。其中，溶剂的选择和优化尤为关键。氟醚作为一类有前途的溶剂，在LMBs中展现出良好的性能，但如何进一步优化其溶剂化结构以有利于SEI的形成，并提高高压正极的氧化稳定性，仍是当前研究面临的重要课题。
基于此，
斯坦福大学鲍哲南院士和崔屹院士（共同通讯作者）等人
引入了一种新型的双(2-氟乙氧基)甲烷（F2DEM）电解质，其特点是缩醛主链单氟化，能够在快速锂金属电镀条件下实现高库仑效率和稳定的长期循环。通过与二乙氧基甲烷（DEM）和2-[2-(2, 2-二氟乙氧基)乙氧基]-1, 1, 1-三氟乙烷（F5DEE）的比较，证明了F2DEM在能源效率、容量保持率等方面的优越性。
（1）在电解质设计方面，创新性地引入了单氟化缩醛主链的F2DEM电解质，实现了在快速Li金属沉积条件下高库仑效率和稳定的长期循环。对比DEM和F5DEE，F2DEM的过电位明显降低，提高了能源效率，并能够在高倍率条件下应用，体现了在电解质结构上的突破。
（2）在性能机制方面，通过广泛的技术手段深入研究了F2DEM优异性能的潜在机制，发现弱溶剂化缩醛主链促进稳定的SEI形成并降低过电位，而末端碳上的单氟取代进一步提高了氧化稳定性、离子电导率和锂钝化。这些发现不仅加深了电解质结构和电池性能之间相互作用的理解，还为开发高能量密度LMBs提供了一条有希望的途径。
多种高纯度化学物质，包括Li2S、LiI、LiBr、P2S5、TiS2、MoS2、Li6PS5Cl和无水庚烷，被用于合成SE粉末。合成LPS和MIEC时，将化学计量的Li2S、P2S5和TiS2（或MoS2）在ZrO2罐中球磨20 h。合成LPSBI时，将化学计量的Li2S、P2S5、LiBr和LiI粉末混合，以无水庚烷为介质球磨40 h。粉末经收集、真空干燥及退火处理后，得到最终产物，所有操作均在Ar手套箱中完成。
图1. F2DEM的传输性能
图2. 电化学稳定性比较
图3. Cu||LFP软包电池在2.5 V和3.65 V间的循环性能
图4. 1.2M LiFSI/F5DEE、2M LiFSI/F2DE和2M LiFSI/DEM的表征
对于Cu||LFP无负极软包电池，在C/3充电倍率下，标称容量为210 mAh或2.1 mAh/cm2，电解质负载量为0.5 mL。研究发现，在放电倍率为1 mA cm⁻²充电和0.4 mA cm⁻²下，与1.2M LiFSI/F5DEE相比，2M LiFSI/F2DEM展现出显著提升的放电容量和库仑效率。在2 C放电倍率下，2M LiFSI/F2DEM相较于F5DEE表现出更高的容量利用率和更缓慢的容量衰减，这得益于其低过电位和高离子电导率。在C/2充/放电倍率下，2M LiFSI/F2DEM的循环性能与两种参考电解质相当。
图5.滴定气相色谱法测定的“死”Li容量损失
通过EIS测量，发现F2DEM形成的SEI初始电阻最低，且5天内阻抗增长仅43%，远低于F5DEE的103%增长，表明F2DEM的SEI更钝化，利于Li传输，减少“死”Li形成。XPS分析显示，F2DEM和F5DEE中SEI化学成分相似，主要由无机盐分解产物构成。FIB切割和低温电子显微镜检查揭示，F2DEM循环损失较小，其直接SEI却更厚，但直接SEI厚度与循环性能无直接关联，F2DEM中较厚的SEI可能具有更佳钝化能力。此外，滴定气相色谱法量化死锂形成，发现F5DEE产生的H2气体量是F2DEM的两倍多，进一步证实F2DEM在减少“死”Li形成方面的优势。
Monofluorinated acetal electrolyte for high-performance lithium metal batteries. PNAS. 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2418623122.
鲍哲南，美国斯坦福大学化学工程系教授，2016年当选美国工程院院士。研究的范围包括化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学等领域。她开创了多个用于有机电子材料的设计理念，使得柔性电子电路和柔性显示显示成为现实。
课题组网页：https://baogroup.stanford.edu
崔屹，纳米材料科学家，斯坦福大学教授、博士生导师。28岁入选世界顶尖100名青年发明家，29岁入职斯坦福大学、34岁升任斯坦福终身教授。38岁就被路透社评为世界排名第一的材料科学家。44岁成为斯坦福能源研究所的首位华裔主任，同年当选美国科学促进会会士。2022年，当选美国国家科学院院士。主要研究领域包括：纳米材料在能量存储、光伏器件、拓扑绝缘体、生物及环境等方向的应用。
课题组网页：https://web.stanford.edu/group/cui_group/
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