自带氟化表面的富锂锰基正极的高能量无负极锂电池

本文报道了一种面向实用化的高能量、长寿命无负极锂金属电池（AF-LMBs）新策略。传统无负极电池因锂资源有限、副反应持续消耗锂而循环寿命短、库仑效率低。本研究创新性地采用富锂锰基氧化物（LRMO）正极，并设计了一种“内置表面氟化重构”（SFR）机制：在电池首次充放电（成化）过程中，将正极电压提升至4.65 V，主动激活正极中氧元素的不可逆氧化还原反应——该过程虽会损失部分锂，但释放出的额外锂离子可直接在铜集流体上沉积，形成初始锂源，有效补偿后续循环中的锂损耗；更重要的是，反应中释放的高活性晶格氧会攻击电解液中添加的氟代醚共溶剂（如TTE），原位生成富含氟化锂（LiF）的正极-电解质界面（CEI），并在正极表面形成一层3–5纳米厚的氟掺杂岩盐相。这一氟化层能稳定晶格氧、抑制过渡金属迁移与氧气逸出、减少界面副反应，从而大幅提升正极结构稳定性和高电压耐受性。实验表明：2安时软包电池在醚类电解液中循环260次后容量保持率仍达80%（平均库仑效率99.8%）；更大规模的30安时软包电池实现350瓦时/千克、1200瓦时/升的高能量密度，循环180次后容量保持84.4%，且具备优异的低温性能（-30℃下仍保留51.5%容量）和倍率性能（最高支持3C放电）。理论计算（DFT与AIMD）进一步证实：氟原子取代氧位点后，显著增强Mn–O键强度、抑制Jahn-Teller畸变、提高氧析出能垒，从电子结构和晶体结构层面阐明了循环稳定性提升的根本原因。该策略无需额外预锂化试剂或复杂电极改性，完全兼容现有电池产线，为高能量密度无负极电池的产业化提供了切实可行的技术路径。