动态超分子弹性体界面层促使的锂离子-偶极子相互作用实现无枝晶锂金属负极

锂（Li）金属因其具有高的理论比容量（3860 mA h g⁻¹）和最低的还原电位（与标准氢电极相比，-3.04 V），被广泛地用于可充电电池负极，在满足日益增长高比能储能设备需求方面展现出巨大的潜力。锂金属低的电化学还原电位使其与电解质非常容易发生电化学反应，尤其是与碳酸酯类电解质。该电化学反应产物会自发在锂负极表面形成一层固体电解质界面（SEI）钝化层，用于阻止与电解质进一步发生副反应。然而，自发形成的SEI通常不均匀且不稳定，这种界面不稳定性导致锂离子（Li⁺）沉积不均匀，SEI层持续开裂或分层，进一步使新鲜的锂与电解质接触，不断消耗电解质，促进锂枝晶的生长。最终，锂枝晶不可控的生长和电解质的持续消耗导致库仑效率（CE）降低和容量损失加速，从而引发电池故障和严重的安全问题。

西安交通大学丁书江教授（点击查看介绍）和新加坡国立大学林志群教授（点击查看介绍）提出了一种利用动态超分子弹性体（DSE）界面层的策略，该界面层能够被锂金属还原，自发形成强的Li⁺离子–偶极作用，从而增强锂金属负极与碳酸酯电解质的界面稳定性。DSE结构中的软相通过松弛配位的Li⁺–O相互作用实现快速的Li⁺传输，而富含负电性亲锂位点的硬相促使具有快离子导电固体的SEI组分形成，包括Li₃N和Li₂S，诱导Li⁺均匀沉积，抑制锂枝晶生长。由软相和硬相组成的强韧DSE网络保护锂金属负极免受电解质腐蚀，并自适应循环过程中的体积变化。因此，覆有DSE界面层的对称Li||Li电池在不同电流密度及面容量下均能进行长期稳定运行。更重要的是，由DSE/Li负极与LiFePO₄（LFP）或高压LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）组成的全电池，即使在有限锂负极（40 μm）和超高负载NMC811正极（21.5 mg cm^–2）的严苛条件下，均表现出高效的锂沉积和循环稳定性。

DSE/Li负极锂成核和生长过程的示意图

该强韧的动态超分子弹性体（DSE）人工SEI保护层，它能够与锂金属形成有效的Li⁺离子—偶极作用，诱导快离子导体SEI组分的形成，包括Li₂S和Li₃N，有利于Li⁺在界面处的均匀扩散，促进Li的均匀沉积，抑制锂枝晶的生长，从而提升锂金属电池在碳酸酯电解质中的电化学稳定性。凭借低成本的材料和简单的制备方法，本研究中开发的DSE保护层为锂金属电池的实用化提供了一条颇具前景的及解决方案。

DSE界面层稳定锂负极的机理分析

这一成果近期发表在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society 上，文章第一作者为西安交通大学陈晶博士（现为新加坡国立大学博士后）

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Li⁺ Ion-Dipole Interaction-Enabled a Dynamic Supramolecular Elastomer Interface Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes

Jing Chen, Xuetian Deng, Xin Jia, Yang Gao, Han Chen, Zhiqun Lin,* and Shujiang Ding*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 30836–30847, DOI: 10.1021/jacs.4c08766

导师介绍

林志群

https://www.x-mol.com/university/faculty/364360 

丁书江

https://www.x-mol.com/groups/ding_shujiang