为了满足人们对锂离子电池越来越高的能量密度要求，锂金属由于其低电极电势（-3.04 V）和高比容量（3860 mAh·g-1）被认为是锂电负极材料中的“圣杯”。然而由于锂金属的高反应活性导致有机电解液与锂金属不可避免地副反应，产生有机-无机固态电解质层（SEI），阻碍其进一步反应。由于这种不均匀的层中的有机成分与锂金属键合紧密，无法承受锂金属沉积/脱出过程中的体积膨胀，导致SEI的反复破裂和重建，进一步导致活性锂和电解液的消耗，使库仑效率降低。
LiNO3被广泛认为是一种优异的醚类电解液添加剂用于在锂金属表面形成高稳定性的钝化层，可以有效地提高锂金属电池的循环稳定性和库仑效率，然而LiNO3在酯类电解液中的溶解度很低，提高LiNO3在酯类电解液中的溶解度很有研究价值。王春生团队使用DMSO作为LiNO3的有效溶剂，成功在酯类电解液（FEC/DMC）中溶解了5 wt%的LiNO3，NO3-1更多地参与到溶剂化结构中并且优先分解生成更多无机相的SEI层，有效地提高了锂负极的库仑效率。相关研究工作发表在“Angewandte Chemie International Edition”期刊上，题为“ Inorganic‐rich Solid Electrolyte Interphase for Advanced Lithium Metal Batteries in Carbonate Electrolytes”。
图1 分子动力学模拟和LiNO3-S电解液的分解电势
由对是否加入DMSO- LiNO3添加剂的电解液进行分子动力学模拟和CV测试可知，DMSO- LiNO3添加剂加入酯类电解液之后，NO3-1参与到了锂离子的主要溶剂化结构中，并且LiNO3和LiPF6的优先还原促进了无机内层SEI层的生成，主要成分为LiF, Li2O, Li3N和其他氮化物。
图2 不同电解质下的Li沉积/脱出性能
由库仑效率测试可知，随着LiNO3浓度的提高，锂沉积/脱出的库仑效率有所提高(由97.21%提高到99.55%)；相对于无添加剂的电解液体系，LiNO3的添加使得对称电池的循环寿命大大提高，使得锂沉积过程中表现出更小的极化。
图3 锂沉积形貌的示意图和SEM图
由不同电解液下的锂沉积形貌可知，LiNO3的加入使得锂沉积得更加致密，表面更加平整，抑制了锂枝晶的产生，体积膨胀更小。
图4 锂金属表面SEI层的深度结构分析
作者利用XPS对SEI的表面和不同厚度的深剖进行了成分的分析，结果证明无机成分占据了SEI层的大多数，靠近锂金属的成分以LiF, Li2O, Li3N等物质为主，然后紧挨着是Li2CO3, LiNxOy和LiF为主，最外层主要是部分有机成分，富含无机成分的SEI能够提供高表面能、出色的机械性能和锂离子传输能力。
图5 L LiNO3-S和LiNO3-free电解液体系的Li||NCM811全电池性能
作者采用~50 μm的薄锂片使用不同的电解液匹配NCM811正极材料组装全电池进行了性能测试，LiNO3-S电解液体系表现出了更优异的寿命和循环稳定性，并且LiNO3-S电解液体系下的锂金属负极消耗量更少。
作者通过DMSO作为溶剂在酯类电解液中引入少量的LiNO3作为电解液添加剂，成功地在锂金属表面构建了富含无机成分的SEI层，这种SEI层能够有效地提高表面能、离子扩散效率和机械强度；作者通过实验和理论分析证明了这种富无机成分的SEI能够有效抑制锂枝晶的生成和均匀锂沉积，锂沉积/脱出的库仑效率和Li||NCM811全电池的性能得到了明显的提升。这种在酯类电解液中引入LiNO3添加剂的策略为发展高电压锂金属电池提供了一种思路。
Inorganic‐rich Solid Electrolyte Interphase for Advanced Lithium Metal Batteries in Carbonate Electrolytes（Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI: 10.1002/anie.202012005）
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202012005
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