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成果介紹

鋰金屬電池由于具有較高的理論比容量，作為下一代儲能設備顯示出巨大的潛力。由于鋰金屬與電解質接觸形成的固體電解質界面(SEI)不均勻且易碎，導致鋰金屬電池的容量衰減速度很快。

斯坦福大學鮑哲南教授、崔屹教授報道了一種用于鋰金屬電極的親鹽且疏溶劑(SP²)的聚合物包覆層，該包覆層選擇性地在溶劑上傳輸鹽，從而促進鹽衍生的SEI形成。與之前報道的人工SEI不同，這種SP²包覆層方法可以使得鋰金屬電池在幾種溶劑(如醚、碳酸鹽和氟化醚)中的循環性能得到了有效增強。

具體來說，在全電池循環中，采用聚合物包覆的50 μm厚的鋰負極和2.5 mAh cm^-2的鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)正極的電池，在碳酸酯電解質中循環壽命增加了2.5倍(80%的容量保留率)，在氟化醚電解質中循環壽命增加了2倍。

相關工作以A salt-philic, solvent-phobic interfacial coating design for lithium metal electrodes為題在Nature Energy上發表論文。

圖文介紹

圖1 SP²包覆層的設計理念

作者假設，如果聚合物包覆層允許鋰鹽而不是溶劑分子的選擇性傳輸，鹽將有更高的可能性與鋰金屬發生物理接觸。這可以促進鹽衍生的SEI的形成(圖1a)。

本文的策略通過調整SEI的化學成分來阻斷非均相Li沉積的自放大過程。作者的聚合物設計結合了親鹽和疏溶劑(SP²)基團作為聚合物側鏈，以促進選擇性傳輸。這種包覆層的分子設計要求是鹽在溶劑上的選擇性傳輸，此外還需要一定的粘彈性，以保持電極覆蓋和化學穩定性(圖1b)。

圖2 聚合物和側鏈的親鹽性和疏溶劑性的表征

圖2a顯示了相應的化學結構，聚合物具有不同側鏈，代表不同程度的親鹽性和疏溶劑性，以及TFSI陰離子的結構。作者首先通過測量LiTFSI鹽在相應聚合物中的溶解度來檢測親鹽性。

從LiTFSI與這些分子的飽和摩爾比(圖2b)可以看出，二甘酸(Glyme)和Py₁₄TFSI都溶解了大量的LiTFSI鹽。通過DFT模擬交叉驗證了親鹽性的趨勢，計算了模型側鏈與LiTFSI鹽之間的相互作用能。

結果表明：烷基的相互作用能最低(71 kJ mol^-1)，PyTFSI的相互作用能相對較高(189 kJ mol^-1)，而Glyme的相互作用能最高(234 kJ mol^-1)，。

除了對鋰鹽具有高親和力外，從所有三種溶劑類型的低(<8°)接觸角可以看出，Glyme側鏈具有親溶劑性。相比之下，具有親鹽性的PyTFSI側鏈的聚合物具有更高的接觸角。由于氟化醚溶劑的接觸角為30-40°，碳酸酯溶劑的接觸角為50°，烷基和全氟側鏈均表現出較高的疏溶劑性。

圖3 PyTFSI和SP²_perF聚合物的選擇性

為了表征SP²聚合物的選擇性傳輸，作者設計了一個以該聚合物為橋的H-cell實驗(圖3a)。H-cell的左側(LHS)初始填充3ml的1 M LiTFSI二甲醚電解質，右側(RHS)初始填充6ml的二甲醚溶劑。兩邊被兩層隔板隔開，中間夾著100毫克的聚合物。當系統平衡時，濃度差驅動鹽從LHS向RHS擴散，反之亦然。

圖3b顯示了H-cell的運行效果。從視覺上看，RHS上液體線的降低表明二甲醚從右向左擴散。無聚合物存在時，3 h后兩側液面達到平衡，表明二甲醚由右向左擴散。鹽也有從LHS到RHS的輸運，導致RHS的鹽濃度達到0.019 m。帶有PyTFSI側鏈的聚合物具有中等的疏溶劑性。

當使用PyTFSI聚合物作為橋時，RHS上的液位與LHS的液位基本一致，表明溶劑發生遷移。由于PyTFSI是親鹽的，觀察到與無聚合物情況相比，LiTFSI的輸運增強，RHS濃度達到0.051 M。加入SP²_perF聚合物后，液位差維持3 h以上，LHS鹽濃度從0上升到0.025 M，表明鹽在溶劑上發生選擇性輸運。

具有全氟側鏈或烷基側鏈的聚合物是疏溶劑的，盡管全氟鏈顯示出稍高的親鹽性。與SP²_perF一樣，這二者也觀察到鹽在溶劑上的選擇性運輸。對于SP²_alkyl，LHS上3 h后的LiTFSI濃度為0.01 M，低于SP²_perF。這是由于SP²_alkyl的親鹽性較低。

圖4 在不同電解質下，對SP²_perF的電化學表征

SP²_perF聚合物顯著改善了Li||Cu電池的循環性能。如圖4a所示，在循環10圈，在1 M LiTFSI DOL/DME 1 wt% LiNO₃電解質中，該包覆層將CE從98.3%提高到99.5%。

在碳酸酯電解質中，CE可由96.0%提高到97.0%。在FDMB電解質中，引入包覆層后，CE有了小幅增加(從99.4%增加到99.5%)。

通過EIS測量和Li||Li電池的長期循環性能來表征SP²_perF聚合物如何影響SEI的穩定性。圖4b顯示了不同時間點SP²_perF包覆Li在碳酸酯或FDMB電解質中的界面阻抗。

對于這兩種電解質，SP²_perF層都抑制了阻抗的增加。在前100小時，SP²_perF將碳酸酯電解質中的阻抗增加從104%降低到33%，在FDMB電解質中從153%降低到42%(圖4c)。

進一步還在1 mA cm^-2電流密度和1mAh cm^-2容量下對Li||Li對稱電池進行循環測試(圖4d)。對于碳酸酯電解質，添加SP²_perF包覆層將導致較高的沉積過電位，并且在循環中穩定。對于未包覆的鋰電極，過電位在25到40次循環之間下降。這是由于不規則晶須狀鋰沉積增加了表面積，這一點經掃描電鏡證實(圖4e)。

圖5 基于SP²_perF包覆的Li負極與NMC正極的電池的循環性能

作者還在不同的倍率下測試了Li||NMC全電池的循環性能，發現碳酸酯和FDMB電解質在C/10和C/3下都可以獲得較高容量(>200 mAh g^-1)。

作者進行了C/5充電和C/3放電的長期循環測試。對于碳酸酯電解質，循環壽命達到了~240圈(圖5c)，對于FDMB電解質，循環壽命達到了~400圈(圖5d)。此外，本文設計的SP²_perF聚合物可適用于各種電解質，與其他策略相比，在提升電池循環壽命和鋰鹽用量方面有更大優勢。

文獻信息

A salt-philic, solvent-phobic interfacial coating design for lithium metal electrodes，Nature Energy，2023.

https://www.nature.com/articles/s41560-023-01252-5

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鮑哲南/崔屹，今日Nature Energy！

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