金属锂的理论比容量为3860mAh/g，并且具有优异的电子导电性，是一种理想的负极材料，但是金属锂在沉积的过程中面临枝晶生长、粉化等问题，导致金属锂电池循环性能差，制约了金属锂电池的应用。

近日，麻省理工学院的Weijiang Xue（第一作者）和Yanhao Dong （通讯作者）等人开发了基于磺胺基的耐高压电解液体系，在4.7V高电压下可实现99.65%的平均库伦效率，循环90次容量保持率可达88%。

提高充电截至电压是提升正极材料容量的有效方法，例如对于NCM材料充电截至电压从4.3V提升至4.7V，容量可以提升15-35%，但是这会导致材料结构稳定性降低，影响材料的循环寿命。对于正极材料循环衰降机理包括界面副反应、二次颗粒破碎、产气和过渡金属元素溶解。为了解决上述问题，人们开发了高浓度电解液、局部高浓度电解液、全氟电解液、氟化醚电解液和环状磷酸基电解液，能够有效的提升金属锂电池的循环稳定性，但是上述电解液在实际中的效果还需要进一步检验。

在这里作者采用N,N-二甲基三氟甲基磺胺（DMTMSA）作为溶剂，1M的LiFSI作为锂盐，显著改善了高电压体系下的循环稳定性，

为了对比上述磺胺基电解液的性能，作者采用EC-EMC（3:7）作为溶剂，以1M LiPF6作为锂盐，加入2%的VC作为添加剂的碳酸脂基电解液作为对照组。下图a中为了消除金属锂负极的影响，作者采用了350um的厚锂箔，以及80uL的注液量，从而研究电解液与正极之间的匹配性，从图中能够看到传统的碳酸脂雷电解液在0.5C循环100次后容量保持率约为76.1%，平均库伦效率约为98%，而磺胺基电解液在经过100次循环后容量保持率可达88.1%，平均库伦效率则达到99.65%，同时从下图b中能够看到电池在循环中电压衰降更少，能量密度更高（下图c）。同时该电解液还表现出了良好的倍率性能，1C倍率下NCM811材料的比容量可以达到205mAh/g，2C倍率下仍然可达186mAh/g，即便是在55℃的高温条件下库伦效率仍然可达99%以上，而对照组电解液在这一条件下库伦效率仅为92%。下图f中作者采用GITT方法对采用两种电解液的电池进行了测量，可以看到采用磺胺基电解液的电池极化明显小于采用碳酸脂基电解液的电池，同时进一步的分析发现，磺胺基电解液能够在Al箔表面形成一层AlOxFy钝化层，从而有效抑制了LiFSI对于Al箔的腐蚀。

为了分析电解液与NCM811材料之间的相容性，作者采用了4.7V浮充测试，以加速界面衰降，从下图可以看到碳酸脂电解液在浮充过程中，漏电流为17.1uA，而磺胺基电解液最终达到3.2uA，这表明NCM811材料在磺胺基电解液中的副反应更少，气体成分分析也表明磺胺基电解液中CO2的产气量更少，从下图的XPS分析结果也可以看到磺胺基电解液中形成SEI膜中含有更多的无机成分，有利于形成更为稳定的SEI膜。

对循环后的正极材料分析可以发现碳酸脂电解液中循环后NCM811颗粒产生了大量的裂纹，而磺胺基电解液中的NCM811材料裂纹的产生则受到了较大的抑制。通过透射电镜分析可以发现，在碳酸脂类电解液中循环后的正极表面产生了更厚（20nm）的岩盐相层，而在磺胺基电解液中循环后的正极岩盐相层厚度仅为3-4nm，这表明磺胺基电解液能够有效的抑制正极材料的界面副反应。

除了正极材料，金属锂的界面稳定性也对电池的循环性能产生显著的影响，下图a展示了金属锂在铜箔表面沉积/剥离行为，从图中能够看到磺胺基电解液在345次循环种平均库伦效率为99%，远远好于对照组电解液。从下图b种所示的Li/Li对称电池种可以看到磺胺基电解液中电池的极化非常小，并且更为稳定。下图c中展示了对照组电解液中循环后的金属锂负极，从图中能够看到金属锂已经完全消耗，锂箔的厚度也从最初的60um增加到了250um，而在磺胺基电解液中循环后的锂负极表面疏松层的厚度仅为26um，金属锂颗粒更大也更为均匀，XPS分析结果可以看到磺胺基电解液中形成的SEI膜以无机成分为主，包括LiF、低价态硫化物，因此SEI膜具有较好的离子电导率，有利于Li的均匀沉积。

下图a中作者参考实际应用的可行性，采用高负载量（>4mAh/cm2）、薄金属锂（60um）和贫液（2.62g/Ah）制作了全电池，可以看到在0.15C/0.5C循环90次后容量保持率仍然可以达到88%，而采用碳酸脂基电解液的电池在循环20次以后就开始快速衰降。

Weijiang Xue等人开发的磺胺基电解液具有良好的电化学稳定性，能够有效的减少正极表面的副反应，同时能够在负极表面形成无机成分较高的SEI膜，因此具有较高的离子电导率，有利于金属锂的均匀沉积，从而显著提升了高电压金属锂电池的循环稳定性。

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Ultra-high-voltage Ni-rich layered cathodes in practical Li metal batteries enabled by a sulfonamide-based electrolyte, NATURE ENERGY | VOL 6 | MAY 2021 | 495–505 |, Weijiang Xue, Mingjun Huang, Yutao Li, Yun Guang Zhu, Rui Gao, Xianghui Xiao, Wenxu Zhang, Sipei Li, Guiyin Xu , Yang Yu, Peng Li, Jeffrey Lopez, Daiwei Yu, Yanhao Dong, Weiwei Fan, Zhe Shi, Rui Xiong, Cheng-Jun Sun, Inhui Hwang, Wah-Keat Lee, Yang Shao-Horn, Jeremiah A. Johnson and Ju Li