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一、研究团队与发表信息
本研究由Borui Yang+、Yuankun Wang+、Ruixin Zheng+（并列一作）及Wei Yang、Yuanjian Li、Ting Li、Kun Li、Anjun Hu*、Jianping Long*、Shujiang Ding*（通讯作者）合作完成。作者单位包括：
- 成都理工大学材料与化学化工学院（锂资源与锂电池产业学院）
- 西安交通大学化学学院（能源存储材料与器件教育部工程研究中心）
- 新加坡科技研究局材料研究与工程研究所（IMRE）
研究发表于Angew. Chem. Int. Ed.（2025年6月），DOI: 10.1002/anie.202508486。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于高能量密度锂电池（Lithium Metal Batteries, LMBs）的电解质工程领域。
研究动机：传统碳酸酯电解质在高电压（>4.5 V）和快充（>5 C）条件下存在固有缺陷：
1. 动力学限制：Li+溶剂化能过高导致脱溶剂化能垒大，离子传输慢；
2. 界面副反应：与锂金属负极（Lithium Metal Anode, LMA）和高电压正极（如NCM811）的兼容性差。
研究目标：通过构象工程（Conformational Engineering）设计新型氟化溶剂分子（HFPA），调控Li+溶剂化结构，实现高压/快充锂金属电池的稳定循环。
三、研究流程与方法
1. 分子设计与理论计算
- 研究对象：对比传统溶剂DEC（碳酸二乙酯）、PA（丙酸酐）与设计的HFPA（2,2,3,3,4,4-六氟戊二酸酐）。
- 方法：
- 密度泛函理论（DFT）：分析分子静电势（ESP）和Li+结合能，证实HFPA的椅式构象可形成三齿配位（两个C=O和一个C-O），降低Li+脱溶剂化能（图1）。
- 分子动力学模拟（MD）：揭示HFPA诱导的阴离子富集溶剂化鞘结构（PF6⁻比例从18.4%提升至1.85个/ Li+）。
2. 电解质配方与表征
- 电解质体系：
- 对照组（BE）：1 M LiPF6 in EC:DEC（1:1体积比）
- 实验组（HFPE）：1 M LiPF6 in EC:DEC:HFPA（3:3:1体积比）
- 实验方法：
- 拉曼光谱：HFPE中游离EC峰（716.1 cm⁻¹）增强，PF6⁻峰（740.6 cm⁻¹）减弱，证实弱溶剂化效应。
- 核磁共振（NMR）：7Li NMR显示HFPE中Li+化学位移上移（-0.60 ppm vs. BE的-0.66 ppm），表明Li+-溶剂相互作用减弱；19F NMR证实PF6⁻与Li+结合增强。
3. 电化学性能测试
- Li+迁移数（tLi+）：HFPE达0.64（BE仅为0.26），归因于阴离子富集鞘层加速离子传输。
- 锂沉积行为：
- Li||Cu电池：HFPE在0.5 mA cm⁻²下库仑效率（CE）达98.08%（BE为86.86%）。
- Li||Li对称电池：HFPE在1 mA cm⁻²下稳定循环800小时（BE仅400小时），过电位降低22%。
- 高压/快充性能：
- Li||NCM811电池：在4.5 V截止电压下，HFPE循环240次容量保持率80.3%（BE为47.2%）；10 C快充下200次循环后容量保持率80.2%。
- 工业级5.6 Ah软包电池：能量密度476 Wh kg⁻¹，4.5 V下稳定循环20次（容量保持率88.8%）。
4. 界面分析
- SEI/CEI表征：
- TOF-SIMS：HFPE衍生的SEI中Lif⁻信号增强，有机组分（C2HO⁻）减少。
- XPS：HFPE组SEI的无机成分（LiF、Li2CO3）占比更高，机械强度（杨氏模量1391 MPa）是BE组（637 MPa）的2倍。
- TEM：HFPE组CEI厚度均匀（~5 nm），BE组CEI不均且厚（~15 nm）。
四、主要研究结果
- 构象工程效应：HFPA的椅式构象通过三齿配位降低Li+脱溶剂化能，并通过高F/C比（1.2）促进Lif-rich SEI形成。
- 溶剂化结构调控：阴离子富集鞘层使tLi+提升至0.64，界面离子传输动力学显著优化。
- 实际应用验证：工业级软包电池在4.5 V高压下的稳定性证实了该策略的实用价值。
五、结论与价值
科学价值：
- 提出“构象工程”新范式，为电解质设计提供分子级调控思路。
- 阐明阴离子富集溶剂化鞘与界面稳定性的构效关系。
应用价值：
- 解决高压/快充锂金属电池的电解质兼容性问题，推动电动汽车续航与充电速度的提升。
六、研究亮点
- 创新性方法：首次将HFPA从添加剂升级为主溶剂（14.2 vol.%），通过构象设计调控溶剂化结构。
- 多尺度表征：结合DFT、MD、原位D