随着电动汽车的蓬勃发展，具备大电荷存储容量、高能量密度、高循环稳定性和快速充放电的电池市场需求越来越大。锂（Li）金属电池的理论容量高达3860 mAh/g，被认为是极具发展潜力的电池技术。但充放电过程中Li枝晶的生长会引起电池短路，导致电池性能快速下降，局部的热量聚集还会引起燃烧甚至爆炸。因此，开发安全、高能量密度和快速充电的电池成为当下的研究热点。
韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授课题组制备了一种由六氟磷酸锂（LiPF6）和草酸锂二氟硼酸盐（LiODFB）电解质组成的新型电解液，使电池获得了稳定的固态电解质膜（SEI），有效抑制了Li枝晶的生长，在确保电池高能量密度的前提下，显著提升了电池循环寿命，且获得了快速充电特性，有潜力应用于电动汽车领域。研究人员将1摩尔的LiPF6和0.05摩尔的LiODFB溶解到碳酸乙酯（EMC）和碳酸氟乙烯（FEC）的混合溶液中形成电解质。与此同时，研究人员将Li负极浸润在溶有硝酸锂（LiNO3）的二乙二醇二甲醚（DEGDME）电解质中5小时进行预处理，通过化学吸附作用在Li负极表面形成一层富含Li2O的SEI薄膜。相关研究已经表明，Li2O有利于通过防止电解质的过度分解和实现无枝晶的Li沉积物形态来建立稳定的SEI膜，因此有助于改善电池循环稳定性。扫描电镜和电化学测试结果显示，相比没有预处理的Li金属电极，预处理后的电极表面形成了一层富含Li2O交联低聚物薄膜，这种薄膜具有良好的弹性和导电性，有助于抑制锂枝晶生长。随后研究人员通过组装Li半电池系统研究了新型电解液和预处理对电池锂沉积的影响机制。10次电化学循环结果显示：没有采用新电解质也没有进行预处理的Li负极在充放电过程中表面形成了一层结构疏松多孔的Li枝晶薄膜；采用新电解质但未进行预处理的Li负极表面只是形成了少量的Li纳米纤维；而既采用新电解质又进行预处理的Li电极表面始终保持光滑致密形貌。因此，新电解质和预处理结合有效地抑制了电解液与锂金属表面之间有害的界面反应，从而有效抑制了Li枝晶的生长。扫描电镜测试揭示了新型电解质和预处理结合的Li负极表面形成了一层稳定的SEI膜，这是抑制锂枝晶生长的关键所在。研究人员进一步组织一系列的完整电池进行电化学性能测试，在1.8 mA/cm2放电电流密度下，采用未预处理的Li负极和传统电解质的锂金属电池循环寿命仅为90次，采用未预处理的Li负极和新型电解质的锂金属电池循环寿命可达150次，而采用预处理Li负极和新型电解质结合的锂金属电池的循环寿命大幅提升至250次，表明预处理和新电解质有助于改善循环稳定性。但电池想要获得高能量密度还需要相匹配的正极。随后研究人员对不同的正极（负极均采用预处理的Li电解质，且均采用新型电解液）对比研究，结果显示在1.8 mA/cm2放电电流密度下，采用传统镍钴锰（NCM）正极的电池初始放电比容量为195 mAh/g，而采用新型锂镍钴锰氧负极（Li[Ni0.75Co0.10Mn0.15]O2，LNCMO）电池的初始放电比容量可达205 mAh/g。当放电电流密度增加到9 mA/cm2时，NCM电池放电比容量下降到了70 mAh/g，而LNCMO电池放电比容量依旧可达150 mAh/g。随后在3.6 mA/cm2放电电流密度下进行循环测试，结果显示NCM电池随着循环的进行比容量不断下降，而LNCMO电池可以稳定循环80余次，且可以保持80%的初始容量，展现出优异的循环稳定性。接着研究人员以3.6 mA/cm2的充电速度（2小时即充满）和9 mA/cm2的放电速度对电池进行快充实验，电池可以稳定循环500余次，展现出优秀的快充特性。为了验证新架构电池的商业可行性，研究人员按照商业电池模式以新架构电池为基本组成制备了软包电池，进行快速充放电循环，结果显示电池可以稳定循环500余次，同时保持90%的初始容量，这是迄今已报道的软包电池性能的最优值，展现出在电动汽车领域的广阔应用前景。
该项研究一方面设计制备了一种新型的混合电解质，另一方面对Li负极进行预处理，从而确保Li负极表面形成一层稳定SEI膜，有效抑制了锂枝晶，同时辅以匹配的高容量正极，获得了具有快充特性的高比容量、长循环寿命的锂金属电池，为解决电动汽车续航里程短的问题提供了潜在的技术解决方案。相关研究成果发表在《Energy & Environmental Science》。
