鋰（Li）金屬電池作為下一代儲能器件備受關(guān)注。然而，鋰金屬負(fù)極的實用化受到循環(huán)壽命差的阻礙，由于不可控的鋰/電解質(zhì)副反應(yīng)以及由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定且脆弱的固體電解質(zhì)界面（SEI）。隨后，SEI開裂、鋰枝晶生長和形成“死鋰”等問題引發(fā)惡性循環(huán)，導(dǎo)致鋰不可逆消耗，最終使電池失效。

電解液工程被認(rèn)為是一種具有成本效益且實用的手段來解決根本原因，即鋰金屬負(fù)極和電解質(zhì)之間無法控制的副反應(yīng)。通過微調(diào)電解液的成分，可調(diào)控SEI化學(xué)組分和Li形貌來提高鋰金屬的可循環(huán)性。已有幾種有前景的策略，包括高濃度電解質(zhì)、局部高濃度電解質(zhì)、混合溶劑、添加劑、液化氣電解質(zhì)、雙鹽雙溶劑電解質(zhì)和單鹽單溶劑電解質(zhì)。

為了實現(xiàn)實用的鋰金屬或無負(fù)極電池，電解液應(yīng)同時滿足如下幾個關(guān)鍵的要求。首先，包括初始循環(huán)在內(nèi)的高庫侖效率（CE），即鋰金屬負(fù)極的快速活化；第二，負(fù)極穩(wěn)定性，避免正極腐蝕；第三，貧電解液和存鋰容量有限等的實際工作環(huán)境下，電解液消耗少；第四，合適的鋰鹽濃度，具有成本效益；最后，高沸點以及沒有任何放氣問題，以確保可加工性和安全性。

除了上述要求外，實際循環(huán)倍率另一個關(guān)鍵參數(shù)是高離子電導(dǎo)率。已有報道使用弱溶劑化的溶劑來改善鋰金屬穩(wěn)定性。然而，溶劑化不足會導(dǎo)致離子聚集、離子運動不良和鹽溶解度低，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率低。因此，需要微調(diào)溶劑的溶劑化程度來同時實現(xiàn)鋰金屬的循環(huán)性、氧化穩(wěn)定性和電解液的離子電導(dǎo)率。

這項工作系統(tǒng)地研究了一系列易于大規(guī)模合成的用作電解液溶劑的氟化1,2-二乙氧基乙烷（氟化DEE）分子。通過在1,2-二乙氧基乙烷（DEE，不同于二乙醚）上的選定位置迭代調(diào)整用不同數(shù)量的氟（F）原子官能化，以達(dá)到 CE、氧化穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)之間的平衡。與1.2 M雙（氟磺?；﹣啺蜂嚕↙iFSI）搭配使用，基于氟化DEE的單鹽單溶劑電解質(zhì)被完全表征，其Li+-溶劑結(jié)合能和幾何形狀(來自密度泛函理論(DFT)計算)，溶劑化環(huán)境(來自溶劑化自由能測試，7鋰核磁共振(NMR)、分子動力學(xué)模擬和擴(kuò)散有序光譜(DOSY)和電池的結(jié)果(測得的離子電導(dǎo)率和電池過電位)是密切相關(guān)的。

上述研究得出了一個意想不到的發(fā)現(xiàn)：部分氟化的局部極性-CHF2基團(tuán)比完全氟化的-CF3具有更高的離子傳導(dǎo)性，同時仍保持出色的電極穩(wěn)定性。具體而言，性能最佳的F4DEE和F5DEE溶劑均含有-CHF2基團(tuán)。除了高離子電導(dǎo)率和低且穩(wěn)定的過電位外，還實現(xiàn)了大約99.9%的CE（波動為±0.1%）以及快速活化，即Li|| 銅(Cu)半電池的CE從第二個周期開始達(dá)到>99.3%。由于適量氟化的氧化穩(wěn)定性，也抑制了鋁(Al)腐蝕。這些特性可在薄鋰（50-μm厚）||高負(fù)載-NMC811（LiNi0.8Mn0.1Co 0.1O2，大約4.9 mAh cm-2）全電池中實現(xiàn)大約270次循環(huán)和無負(fù)極Cu||微粒-LFP (LiFePO4，大約2.1 mAh cm-2)工業(yè)軟包電池>140次快速循環(huán)，這兩種電池都是最佳的性能。

總的來說，這項研究成果成功研究了一系列用于鋰金屬電池的氟化-DEE基電解質(zhì)，其中部分氟化的-CHF2基團(tuán)是合理化的選擇。所開發(fā)的電解液，尤其是F4DEE和 F5DEE，同時具有高離子電導(dǎo)率、低且穩(wěn)定的界面?zhèn)鬏敗⒖芍噩F(xiàn)的高鋰金屬效率（對于Li||Cu半電池中的1.2 M LiFSI/F5DEE，高達(dá)99.9 %，波動僅為±0.1% )、創(chuàng)紀(jì)錄的快速活化（Li||Cu 半電池的第二個循環(huán)內(nèi)CE > 99.3%）和高電壓穩(wěn)定性。這些特性使鋰金屬電池和無負(fù)極軟包電池在貧電解質(zhì)和真實測試條件下具有較長的循環(huán)壽命。全面的形態(tài)學(xué)表征和SEI觀察揭示了扁平的Li沉積以及理想的陰離子衍生的SEI。Li+-溶劑配位、溶劑化結(jié)構(gòu)和電池性能進(jìn)行了交叉驗證，并理清了它們之間的相關(guān)性。該工作強(qiáng)調(diào)了鋰金屬電池電解液研究中關(guān)鍵但研究較少的方向，即快速離子傳導(dǎo)。通過微調(diào)溶劑的溶劑化能力來實現(xiàn)快速離子傳導(dǎo)和電極穩(wěn)定性之間的平衡是至關(guān)重要的，而分子設(shè)計和合成工具在其中發(fā)揮著重要作用。相信合理的分子水平設(shè)計和化學(xué)合成可以賦予電解液在未來發(fā)現(xiàn)更多的機(jī)遇。