该文档属于类型a，是一篇关于新型氟化深共晶凝胶电解质（fluorinated deep eutectic gel electrolytes, DEGE）在锂金属电池（lithium metal batteries, LMBs）中应用的原创研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

一、研究作者与发表信息

本研究由Tongrui Zhang, Jiangtao Yu, Tianxing Lin等（通讯作者：Tianfei Liu和Kai Zhang）共同完成，作者单位均来自南开大学化学学院及多个国家级重点实验室（如“State Key Laboratory of Advanced Chemical Power Sources”）。研究成果发表于Journal of the American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc.)，2025年8月21日，卷147，页码32861–32872。

二、学术背景

科学领域：本研究属于能源材料与电化学交叉领域，聚焦锂金属电池的电解质设计。
研究动机：传统液态电解质存在泄漏、易燃等安全隐患，且与锂金属负极的界面稳定性差，易导致固体电解质界面（solid electrolyte interphase, SEI）破裂和锂枝晶生长。深共晶凝胶电解质（DEGE）虽具有高离子电导率（~10 mS cm⁻¹）和宽电化学窗口（5 V），但其与锂金属的界面稳定性尚未解决。
目标：通过氟化酰胺类溶剂调控电解质的分子轨道能级和Li⁺脱溶剂化能垒，构建富含LiF/Li₃N的稳定SEI，实现高安全、长循环的锂金属电池。

三、研究流程与实验方法

1. 电解质设计与筛选

• 研究对象：以N-甲基乙酰胺（NMA）为母体，合成α、β、γ位氟化的酰胺衍生物（如2,2,2-三氟-N-甲基乙酰胺, C≡Oα3F），共15种氟化酰胺（表S1）。
  
• 双向筛选标准：
  
  • LUMO能级（最低未占分子轨道）：通过密度泛函理论（DFT）计算，筛选还原电位低的化合物以促进SEI形成。
    
  • 脱溶剂化能垒：通过分子动力学（MD）模拟Li⁰与溶剂的结合能，筛选利于阴离子（TFSI⁻）参与溶剂化的分子。
    
• 关键发现：C≡Oα3F的LUMO能级最低（-1.52 eV），脱溶剂化能垒仅0.38 eV（图2b），表明其兼具强SEI形成能力与快速反应动力学。

2. 电解质合成与表征

• 制备流程：
  
  • 深共晶电解液（DEE）：将氟化酰胺（如C≡Oα3F）与LiTFSI按4:1摩尔比混合，通过氢键作用形成液态共晶体系。
    
  • 凝胶化（DEGE）：在DEE中溶解季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA）单体，原位聚合形成三维聚合物骨架（图3a）。
    
• 性能测试：
  
  • 离子电导率：阻抗谱显示C≡Oα3F-DEGE的室温电导率达1.24 mS cm⁻¹（图S32）。
    
  • 热稳定性：差示扫描量热（DSC）显示分解温度达198.6°C，燃烧测试表明其不可燃（图3b）。
    

3. 界面化学与电池性能验证

• SEI表征：
  
  • XPS深度分析：C≡Oα3F-DEGE生成的SEI中，LiF和Li₃N占比90%（图4h）。
    
  • 原子力显微镜（AFM）：SEI的杨氏模量达6.9 GPa（图4e-g），高于非氟化对照组（1.17 GPa）。
    
• 电化学测试：
  
  • 对称电池（Li||Li）：在0.1 mA cm⁻²下循环超9000小时（图4b）。
    
  • 全电池（Li||LiFePO₄）：1C倍率下循环2500次，容量保持率81.7%（图5a-b）。
    
  • 高温与高压性能：80°C下循环300次容量保持97.7%；与LiCoO₂（4.5 V）匹配时循环50次容量保持94%（图5e-f）。
    

四、主要研究结果

1. 氟化位点效应：直接连接三氟甲基（−CF₃）与羰基的C≡Oα3F降低了LUMO能级，促进电子转移和LiF/Li₃N生成（图2b-d）。
   
2. 溶剂/阴离子协同机制：低脱溶剂化能垒使阴离子（TFSI⁻）更多参与溶剂化结构，形成无机物丰富的SEI（MD模拟显示Li⁺-O(TFSI⁻)配位数达1.65）。
   
3. 安全性与应用验证：5 Ah软包电池在针刺测试中无起火，热失控温度提升至176.8°C（图5h）。
   

五、结论与意义

本研究通过分子设计提出“溶剂-阴离子双向SEI调控机制”，解决了DEGE在锂金属电池中的界面不稳定问题。其科学价值在于：
1. 方法论创新：首次建立LUMO能级与脱溶剂化能垒的双向筛选标准，为电解质设计提供普适策略。
2. 应用突破：C≡Oα3F-DEGE兼顾高离子电导率、宽温域稳定性（-30–80°C）及非易燃性，推动高能量密度电池实用化。

六、研究亮点

1. 新型电解质体系：氟化酰胺基DEGE的离子电导率（1.24 mS cm⁻¹）和循环寿命（9000小时）均优于同类报道（表S4）。
   
2. 多尺度表征结合：通过DFT-MD模拟指导实验，辅以TOF-SIMS、原位EIS等揭示SEI形成动力学。
   
3. 产业化潜力：1 Ah软包电池验证了其规模化应用的可行性。
   

七、其他价值

• 理论拓展：提出“伪高浓度态”概念（图2c），解释低盐浓度下高接触离子对（CIPs）比例的成因。
  
• 技术通用性：该策略可延伸至钠/钾金属电池等其他碱金属体系。
  

（总字数：约2000字）