基于LiFSI的锂离子电池电解液中不锈钢溶解的机理与缓解方法

这项研究对未来电池的重要性

锂离子电池为从笔记本电脑到电动汽车的各种设备提供动力，制造商正努力提升能量密度并加快充电速度。为实现这些目标，正在采用新的电解液配方和高能量电极。一种有前景的电解液成分LiFSI可以改善稳定性与性能，但它也有一个隐蔽的缺点：会慢慢腐蚀电池内部的不锈钢部件。本文揭示了这种损伤的具体发生机制，并提出了一种可行的抑制方法，为更安全、更持久的高能量电池铺平了道路。

电池壳内的隐秘损伤

许多商业电池形式（包括圆柱形和扣式电池）都使用不锈钢作为外壳和内部构件。在正常条件下，不锈钢会通过一层薄而稳定的氧化膜自我保护。作者表明，在基于LiFSI的电解液中，这种保护可能失效，尤其是在用于现代富镍正极的更高电压下。少量的氯化物（常来自盐生产的残留）与LiFSI中的FSI阴离子协同作用，攻击钢材表面。氯化物通过在表面引发显微点蚀启动这一过程。一旦这些微坑形成，钢中的铁就会溶解，而FSI相关的物种则有助于将这些铁保持在溶液中，阻止其重新形成保护性的氧化物层，从而导致金属持续溶解，坑洞不断扩深。

活性离子如何腐蚀金属

为厘清不同离子的作用，研究人员系统地改变了氯含量和盐的组成，同时监测电流、表面形貌和气体产生。在低氯含量下，钢表面在初始扰动后会再次钝化，但当氯含量超过几十 ppm 左右时，点蚀不再自愈，溶解持续发生。成像与化学分析显示，在富氯溶液中，表面布满了铁氧化物和坑洞；而在纯LiFSI电解液中，坑洞数量较少但更深，溶解的铁形成可溶性络合物而非沉淀。这些溶解的金属离子在电池内迁移并在负极沉积，使锂表面变粗糙并促成诸如氢气和二氧化碳等气体产生——这些都对电池安全与寿命不利。

改变界面的保护助剂盐

接着，团队探索是否添加第二种盐LiDFOB可以在不牺牲LiFSI带来好处的情况下保护不锈钢。电化学测试显示，即使是适量的LiDFOB也能将不锈钢溶解的起始电压推高，并显著降低腐蚀电流。显微观察证实在存在LiDFOB时坑洞几乎消失。表面敏感的光谱分析显示，在仅含LiFSI的电解液中，氧化的铁和铬物种与FSI相关片段结合，表明溶解在持续进行。相比之下，含LiDFOB的电解液在表面保留了更多的金属态铁和铬，并引入了与LiDFOB分解相关的富硼和富氟化合物。

保护层如何赢得竞争

乍看之下，似乎是一层固态含硼薄膜独自屏蔽了钢材。然而，进一步的浸泡实验和建模提示了更微妙的情形。作者提出关键在于不同阴离子在金属表面直接位点的竞争。表面电荷行为的测量结合计算机模拟表明，来自LiDFOB的阴离子比氯或FSI更强地吸附在铁氧化物表面。实际上，LiDFOB的阴离子拥挤进入靠近钢界面的最内层液相，占据了那些侵蚀性离子原本会发起攻击的位置。通过阻塞可及性，它们既抑制了由氯驱动的初始点蚀，也抑制了随后由FSI驱动的深层溶解，从而减少了气体产生和金属在电池其他部位的沉积。

从机理到性能更佳的电池

为验证这种化学保护是否能带来实际效益，研究人员用不同电解液和不锈钢等级循环测试了石墨||NMC811和硅-石墨||NMC811 电池。仅用LiFSI的电池因金属溶解而早期失效，而使用LiFSI–LiDFOB混合电解液的电池寿命显著延长。当更耐腐蚀的不锈钢（SUS316L）与优化的双盐电解液结合时，硅-石墨电池约能达到80%容量残存时约300个循环。采用相同电解液但不使用不锈钢结构的软包电池，其寿命也约为传统LiPF6配方的两倍，突显了LiDFOB对电池界面更广泛的稳定作用。

对日常技术的意义

通俗地说，这项研究表明一种有前途的高性能盐LiFSI会在含微量氯的情况下悄悄腐蚀支撑电池的钢部件。作者揭示了氯如何在保护膜上打开微小孔洞，而LiFSI则通过将溶解的铁维持在液相中阻止这些孔洞愈合，使损伤扩散开来。通过添加LiDFOB，其阴离子优先在钢表面排列并将有害离子排斥在外，腐蚀大幅受阻、气体生成减少，扣式与软包电池的寿命都显著延长。将一种强效但有腐蚀性的盐与智能选择的“护卫”盐结合，是实现更安全、更长寿命、高能量锂离子电池的实用配方，可能被应用于未来的电动汽车和大规格电池中。

引用: Yan, P., Stan, M.C., Zhour, K. et al. Mechanism and mitigation of stainless steel dissolution in LiFSI-based lithium-ion battery electrolytes. Nat Commun 17, 3866 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72530-5

关键词: 锂离子电池, 电解液添加剂, 不锈钢腐蚀, LiFSI, LiDFOB