研究背景
在極端條件下運行的鋰金屬電池受到緩慢的溶劑化脫離過程和電極-電解質界面穩定性差的限制。然而，由于分子水平上對界面化學的理解尚不明確，界面設計的合理性受到了阻礙。
為此，清華大學化學工程系劉凱團隊在“Nature Energy”期刊上發表了題為“Breaking the molecular symmetricity of sulfonimide anions for high-performance lithium metal batteries under extreme cycling conditions”的最新論文。本文設計并合成了一系列具有獨特氧化性的磺酰亞胺鹽，包括雙(三氟甲基亞磺酰基)亞胺鋰 (LiBSTFSI) 和 (三氟甲基亞磺酰基)(三氟甲基磺酰基)亞胺鋰 (LiSTFSI)。通過研究其分子結構與界面化學的相關性，發現不對稱的 LiSTFSI 誘導了陰離子電聚合，形成了一個雙層結構的正極-電解質界面（CEI），其中內層由 LiF 主導，外層為帶負電荷的無機聚合物覆蓋。
LiSTFSI 衍生的 CEI 具備優異的機械穩定性并加速了 Li+ 的脫溶過程，從而在超高倍率和超低溫條件下實現了穩定的循環性能以及優異的能量密度和功率密度。工業化軟包電池在 30°C 下達到了 474Wh?kg?1 的高能量密度以及 5,080W?kg?1 的極限功率密度；在 -20°C 下實現了 382Wh?kg?1 和 3,590W?kg?1 的出色低溫能量和功率密度；在 -40°C 下表現出 321Wh?kg?1 和 1,517W?kg?1 的優異性能。
科學亮點
1.實驗首次設計并合成了一系列磺酰亞胺鋰鹽，包括雙（三氟甲基亞磺酰基）亞胺鋰（LiBSTFSI）和（三氟甲基亞磺酰基）（三氟甲基磺酰基）亞胺鋰（LiSTFSI），這類鹽具有獨特的氧化性，能夠有效改善鋰金屬電池的界面穩定性。
2.實驗通過研究LiSTFSI的分子結構與界面化學的關系，發現其不對稱的結構能夠誘導陰離子電聚合，形成雙層的正極-電解質界面（CEI）。該CEI的內層由LiF主導，外層為帶負電的無機聚合物，這種新型結構未曾報道。
3.LiSTFSI衍生的CEI展現出卓越的機械穩定性和加速的Li+脫溶過程，有效提高了鋰金屬電池在超高倍率和超低溫條件下的循環穩定性與動力學性能。
4.實驗表明，LiSTFSI衍生的CEI在極端條件下的表現非常優秀，在30°C時，工業化軟包電池實現了474Wh?kg?1的能量密度和5,080W?kg?1的功率密度；在-20°C和-40°C下分別實現了382Wh?kg?1和321Wh?kg?1的能量密度以及3,590W?kg?1和1,517W?kg?1的功率密度，表現出極高的低溫性能。
圖文解讀
圖1.商用亞砜亞胺鋰鹽（LiTFSI）和合成的亞砜亞胺鋰鹽（LiBSTFSI和LiSTFSI）的化學結構、化學/電化學性能及其界面相化學性質。
圖5. 界面相化學的實驗與理論研究。
圖7. LISTFSI衍生CEI中無機聚合物的力學性能。
圖8. 由LISTFSI衍生的CEI在極端條件下的Li/NMC811電池性能。
結論展望
總之，本研究通過打破磺酰亞胺陰離子的對稱性，設計的非對稱鹽LiSTFSI在正極表面誘導了陰離子氧化和電聚合反應，形成了一種由陰離子衍生的雙層無機固態電解質界面（CEI），具有優異的機械穩定性和加速的界面動力學。含LiSTFSI的醚基電解液即使在極端條件下，也展現出優異的循環穩定性以及卓越的能量和功率性能。工業級3.5Ah的Li/NMC811軟包電池在各種極端溫度和電流條件下展示了前所未有的能量和功率密度。這項工作強調了分子結構上微小變化（無需額外的基團修飾）對界面化學反應的關鍵作用。研究結果為電解液分子結構的設計提供了新的思路。
