目前锂离子电池（LIBs）的化学成分需要钴元素，跟着时间的推移，钴可能会变得稀缺，此外还会有与其单一来源相关的供应链风险。东京大学Atsuo Yamada团队将无钴正极与硅氧负极（SiOx）匹配制备的锂离子电池，具有4.9V的高截止电压，并能稳定循环1000次。在这种电极组合的基础上，基于3.4 M LiFSI/FEMC的电解质设计具有移位电势，这有助于在负极上形成坚固的钝化层，并提高电解质的稳定性，防止还原和氧化降解。该电解质配方提供了一种实现长寿命和高性能锂离子电池的方法，且这一概念能应用于其他电化学能源技术。相关研究成果以“Electrolyte design for lithium-ion batteries with a cobalt-free cathode and silicon oxide anode”为题发表在Nature Sustainability上。

  具有碳基负极和金属氧化物基正极的锂离子电池的化学性质自其商业化以来基本保持不变。Co已被大范围的应用于正极材料中，因为它提供了合理的反应电势（Co4+/Co3+；相对于Li/Li+≥3.8V），并提高了正极的电子/离子导电性和结构完整性。例如，层状氧化物LiCoO2、LiNixCoyMnzO2和LiNixCoyAlzO2提供高容量（~220 mAh g−1）、高倍率性能和长循环寿命。然而，钴是特定地区（刚果民主共和国）镍和铜矿的副产品，因此引起人们对经济和地理政治学受限的供应链担忧。

  目前开发的无钴材料中，尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4是最受喜爱的材料之一，因为它具有高的操作电势（4.7V），然而其理论容量（147 mAh g−1）低于目前使用的钴基层状氧化物。为满足对高能量密度电池日渐增长的需求，还应同时考虑用高容量的硅氧负极（SiOx）负极（1965–4200 mAh g−1，2≥x≥0）取代碳负极（石墨；372 mAh g-1）。这种理想的SiOxLiNi0.5Mn1.5O4电池系统提供了低成本、高可持续性和高理论单位体积内的包含的能量（约610 Wh kg−1）。此外，它不需要改变目前使用的电池制造工艺。然而，这种有前景的电池系统的实现受到负极和正极表面严重电解质分解的限制，因为SiOx和LiNi0.5Mn1.5O4的反应（锂化/脱锂）电势在现有电解质的操作电势窗口之外。

  为了解决这一个问题，已经开发出功能性电解质和电解质添加剂。这些材料提供了宽的电势窗口，并在负极表明产生钝化膜（SEI），通过阻断电极和电解质之间的直接接触，在动力学上延缓电解质降解。用高Li+导电性和机械/化学稳定的SEI保护SiOx表面，SiOx的锂化/脱锂伴随着高达200%的体积的显著变化，不仅对SiOx颗粒，而且对表面SEI层导致非常严重损坏。因此，用坚固的SEI完全覆盖SiOx表面对于确保电解质分解最小的稳定循环至关重要。

  作者通过优化全电池的整体电势，用3.4M LiFSI/FEMC电解质使SiOxLiNi0.5Mn1.5O4电池实现了高单位体积内的包含的能量，且能1000次稳定循环，其截止电压为4.9V。3.4 M LiFSI/FEMC的溶液结构不同，具有独特的热力学和动力学特性，大多数Li+和FSI-离子广泛配位形成致密的离子对网络，这使电解质中的Li+不稳定，并使大量具有改性电子态的阴离子能够接近带负电荷的SiOx负极。通过提高SiOx的热力学反应电位并形成坚固的高功能阴离子衍生的SEI，具有调谐的阴离子电子态，有助于SiOx负极的稳定循环。此外，对于高电势的LiNi0.5Mn1.5O4正极，能轻松实现高电化学稳定性，并能抑制在高电势下的降解，例如铝（Al）腐蚀和过渡金属从正极溶解。这些先进的功能是由于溶剂氧化能力增加，溶剂氟化的溶剂化能力减弱，电解质的溶解能力差。（文：李澍）