随着电动汽车和消费电子行业的迅速发展，锂离子电池（LIBs）愈发承担着不可或缺的角色。然而，组装LIBs需要超低水分环境，比如手套箱或干燥室所提供的环境，进而导致能源消耗增加和技术限制。液态电解质由锂盐和有机溶剂组成，对水分高度敏感。电池内存在的水会导致锂盐的水解，产生氟化锂（LiF）和高腐蚀性的氢氟酸（HF），其中HF会攻击电池的界面，导致正极处有害过渡金属（TMs）溶出和负极的固态电解质界面相（SEI）的破损，最终危及电池的电化学性能。这些问题在锂金属电池（LMBs）中更为明显，因为HF与锂金属负极会发生更为剧烈的反应，导致容量加速退化，增加安全风险。此外，这些不利影响在高镍正极中更为明显，特别是在高压或高温条件下。近期，多孔材料（PMs）由于其具有高表面积、可调节的孔隙结构和稳定的化学/电化学性能等特性，被置于电池体系中来消除H₂O/HF。然而，去除H₂O的有效性受到PMs的物理吸附能力和特定化学吸附位点数量的限制。另外，目前大多研究是通过消除H₂O来减少锂盐水解进而间接去除HF，而不是直接消除HF。

与HF相比，H₂O对SEI的形成有一定的积极作用。这是因为PF₆⁻的水解不仅会产生HF，还会产生LiF，而LiF是抑制枝晶生长的优良SEI组分。因此，直接中和或消除H₂O衍生的HF，而不直接消除H₂O，这将确保SEI中具有高含量的H₂O衍生的LiF，进一步提高LMBs性能。然而，据我们所知，目前还没有一种经济、可持续的策略来解耦H₂O、HF和LiF之间的相互作用，从而实现“保留H₂O的同时消除HF”的目标。

图1：HF对电极的破坏性及隔膜设计消除HF的原理

开云网页登录 变革性分子前沿科学中心梁正副教授设计并制备出哌啶掺杂、功能集成的分子筛（TW@PI）、并将其复合到聚乙烯（PE）隔膜表面来精确地消除由H₂O产生的HF，从而使LMBs形成富LiF的SEI，即使在高H₂O含量的电解液中也能确保稳定循环。因此，使用TW@PI-PE隔膜的对称锂电池在含有500 ppm H₂O的碳酸基电解液中，在3 mA cm⁻²和3 mAh cm⁻²下实现了超过500小时的稳定循环，优于同类电池。此外，由于过渡金属溶解的有效限制，采用LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极的LMB在1000 ppm含水量和截止电压为4.6 V的条件下稳定循环100圈后，容量保持率可以达到81%。

相关研究成果以“Eliminating Hydrogen Fluoride through Piperidine-Doped Separators for Stable Li Metal Batteries with Nickel-Rich Cathodes”为题发表于期刊Angewandte Chemie International Edition（德国应用化学）上。

文章信息：

Luoyi Ding#, Yuanmao Chen#, Yeliang Sheng#, Xinyang Yue*, Zheng Liang*, Eliminating Hydrogen Fluoride through Piperidine-Doped Separators for Stable Li Metal Batteries with Nickel-Rich Cathodes. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, DOl: 10.1002/anie.202411933

第一作者：丁罗义、陈源茂、盛业亮

通讯作者：梁正、岳欣阳

通讯单位：开云网页登录 变革性分子前沿科学中心

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202411933