近日，装备所李明研究员团队在中国科学院一区top期刊《chemical engineering journal》（if=13.3）在线发表了题为“fluorine-free electrolytes for high-performance and low-cost lithium metal batteries”的研究论文。该研究开发了一种高兼容性的无氟电解液，适用于三元正极材料和锂金属负极材料。电解液以3-甲基-2-噁唑烷酮为溶剂，硝酸锂为锂盐，可显著改善高比能锂金属电池正负极材料的循环稳定性，同时其组成简单、性能优越且成本低廉，为低成本环保型锂电池电解质的开发提供了新的推动力。
目前，商业化锂电池电解液通常采用含氟锂盐（如lipf6、libf4、litfsi），含氟溶剂（如fec）以及含氟添加剂（如lif）。这些组分能够在电极界面形成富含lif的固体电解质界面（sei）膜，具有高离子导电性和优良的化学稳定性。然而，这些含氟电解质的毒性问题不容忽视。当电解质与微量水接触时，容易生成腐蚀性和毒性的氟化氢（hf），hf不仅会损害电池性能，还对人类健康和环境构成潜在威胁，例如引起皮肤、眼睛和呼吸道刺激，严重时可能导致中毒。因此，开发性能优越的无氟电解质，对于环保型锂电池的研发至关重要。
图1 n-el无氟电解液的作用机制
本研究开发的无氟电解质具有高达4.5 v的电化学稳定窗口，且富含硝酸根，能够长期构建稳健的固体电解质界面膜。首先，通过对电解质的溶剂化结构、表面吸附动力学以及最低未占有轨道（lumo）与最高占有轨道（humo）能级的综合分析，证实了硝酸根与锂金属负极之间有利的相互作用。li-cu半电池表现出99%的库仑效率，并能持续运行1200次循环。其次，该无氟电解质与三元材料正极（ncm622）表现出卓越的兼容性，li-ncm622全电池在经历1000个循环后仍能保持91.4%的可逆容量，突显了这一创新电解质组分的实用性和长寿命。
图2 n-el无氟电解液对锂金属的稳定作用
图3 n-el无氟电解液对li-ncm622全电池的稳定作用
该研究的第一单位为湖南省农业装备研究所，帅毅博士为第一作者，李明研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然基金面上项目、湖南省智能农机装备创新研发项目、湖南省现代农业（水果）产业技术体系水果机械装备岗位科学家、湖南省自科基金项目等经费的资助。