電解質(zhì)分子工程，尤其是對稱氟化電解質(zhì)分子，被認(rèn)為是解決傳統(tǒng)非氟化電解質(zhì)分子穩(wěn)定性不足，從而穩(wěn)定高能量鋰金屬電池（LMB）的有效方法。然而，對稱氟化電解質(zhì)分子的弱溶解性和低離子電導(dǎo)率，以及電解質(zhì)衍生的低離子電導(dǎo)率不穩(wěn)定中界面的形成，是限制對稱氟化電解質(zhì)應(yīng)用于提高鋰金屬電池性能的主要挑戰(zhàn)。

在此，山東大學(xué)陳皓、劉宏、桑元華等人提出了一種非對稱氟化電解液分子設(shè)計(jì)，將分子一側(cè)的高惰性氟化結(jié)構(gòu)與另一側(cè)的強(qiáng)溶劑化的非氟化結(jié)構(gòu)相結(jié)合，因此，該電解液成分綜合了對稱氟化和非氟化電解液的優(yōu)、缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高性能鋰金屬電池。

該工作利用三種具有代表性的分子展示了電解液設(shè)計(jì)原理，包括傳統(tǒng)的非氟化的酸二乙酯(noneF-DEC)，不對稱氟化的（2,2,2-三氟乙基)碳酸酯(asymF-DEC)，對稱氟化二(2,2,2-三氟乙基)碳酸酯(symF-DEC)。其中，asymF-DEC 電解液具有與noneF-DEC 電解液類似的強(qiáng)溶劑化能力和高離子電導(dǎo)率。同時，asymF-DEC 電解液還具有 symF-DEC 電解液的高穩(wěn)定性和阻燃性。此外，symF-DEC 中的不對稱氟化分子設(shè)計(jì)還形成了 LiF&Li₂O 復(fù)合負(fù)極界面（SEI） 和富含 LiF 的正極界面（CEI）結(jié)構(gòu)，從而有利于正極和負(fù)極的穩(wěn)定性。

圖1. 電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)和動力學(xué)演變

總之，該工作提出了一種不對稱氟化電解質(zhì)分子設(shè)計(jì)，它結(jié)合了不對稱氟化電解質(zhì)和非氟化電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，同時彌補(bǔ)了它們的局限性。此外，不對稱氟化碳酸酯電解質(zhì)中烷基的另一側(cè)沒有氟化，因此具有與非氟化電解質(zhì)類似的溶解能力和高離子導(dǎo)電性，克服了對稱氟化電解質(zhì)的低離子導(dǎo)電性問題。

這種不對稱氟化電解質(zhì)還有助于建立穩(wěn)定、高離子電導(dǎo)率、溶劑和鹽共衍生的相，從而成功地保護(hù)負(fù)極和正極，解決了非氟化和對稱氟化電解質(zhì)的界面問題。使用這種對稱氟化電解質(zhì)的鋰金屬負(fù)極庫侖效率高達(dá) 98.97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了對稱氟化和非氟化電解質(zhì)。

因此，該種新型非對稱氟化電解質(zhì)分子設(shè)計(jì)不僅能為高性能鋰金屬電池電解質(zhì)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供基礎(chǔ)性的理解，還能為未來多種電化學(xué)反應(yīng)體系提供一種廣闊前景。

圖2. 電池性能

Asymmetrically-Fluorinated Electrolyte Molecule Design for Simultaneous Achieving Good Solvation and High Inertness to Enable Stable Lithium Metal Batteries，Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202303652