浙工大&南洋理工Science：锂金属电池实现超长寿命和超高库伦效率循环！

第一作者：刘育京, 陶新永, 王垚

通讯作者：陶新永，楼雄文

通讯单位：浙江工业大学，南洋理工大学

研究亮点：

1、提出了使用含有羧基的自组装单分子层（SAM）增强锂的剥离和沉积。SAM沉积在氧化铝涂层的聚丙烯隔膜上，形成了富含氟化锂的固体电解质界面，从而促进了锂离子的快速转移并抑制了锂枝晶的生长。

2、SAM赋予锂金属全电池在高正极负载、有限锂和贫电解质条件下依然具有显著增强的可循环性。Li//SAMsC//LFP全电池在负极与正极的低容量比（N/P~3）下仍然可以保持450次以上的循环寿命，容量保持在80%以上同时平均库仑效率高于99.9%。

主要内容：

锂金属因其高比容量和低氧化还原电位而被认为是下一代锂电池有前景的负极材料。然而，锂负极的实际应用受到锂枝晶生长的限制，导致锂金属电池的安全问题和容量快速衰减。在抑制锂枝晶形成的努力中，固体电解质界面(SEI)的改性或重建可能是最关键的，因为SEI是由锂金属与电解质之间的反应自发产生的，负责锂离子的传输和调节快速锂生长。功能性氟化电解质成分，如双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）、双氟磺酰亚胺锂等，已被用于进行界面工程以调节SEI的纳米结构和化学成分。通过这些策略产生的SEI均被证明含有氟化锂(LiF)的特定成分，该成分具有高界面能、高化学稳定性和低锂离子扩散势垒。通常，LiF被认为是含氟电解质成分的分解产物，有助于提高锂金属电池的循环寿命。因此，精确控制电解质分解，特别是C-F解离化学，以构建富含LiF的SEI是一种逻辑上可行但仍具有挑战性的方法。

鉴于此，浙江工业大学陶新永教授团队联合南洋理工大学楼雄文教授提出使用含有羧基的自组装单分子层隔膜，来调节电解质降解以构建稳定锂金属电池的策略。研究人员在氧化铝涂层的聚丙烯隔膜上了接枝了SAM，并使用各种末端官能团（X = NH₂，COOH）来引导锂金属的沉积。综合分子动力学模拟和冷冻电镜表征揭示了有序极性羧基在促进C-F键断裂以产生富含LiF的SEI中的关键作用。富含LiF的SEI有利于稳定Li/电解质界面，从而显著抑制锂枝晶的形成并延长锂金属负极的寿命。这种基于表面化学的SAM技术为电池中不可控制的电解质降解和SEI形成提供了解决方案。具有羧基末端的SAM对称电池在2500小时以上的1000次循环中表现出稳定的循环能力，即使电流密度和面积容量分别增加到5 mA cm^-2和5 mAh cm^-2，仍然可以稳定循环超过600小时。使用SAM的锂金属全电池可稳定循环超过1000次，容量保持率为92.8%，即使在严苛的条件下也表现出增强的可循环性。作者预计这种简便的策略可以扩展到其他电极系统，通过调整SAM的分子结构以构建更好的能源存储设备。

Fig. 1 | Schematic illustration of SAMs in LMBs and characterization of Al₂O₃-SAMs.

Fig. 2 | Electrochemical performances of Li–Cu half cells and simulations of the degradation mechanism of LiTFSI.

Fig. 3 | Analysis of the interfacial stability and SEI chemical composition.

Fig. 4 | Cryo-TEM visualization of the Li deposits and SEI nanostructures.

Fig. 5 | Electrochemical performance of symmetric half cells and full cells equipped with SAMs.

文献信息：

Yujing Liu, Xinyong Tao, Yao Wang, Chi Jiang, Cong Ma, Ouwei Sheng, Gongxun Lu, Xiong Wen (David) Lou. Self-assembled monolayers direct a LiF-rich interphase toward long-life lithium metal batteries. Science 375, 739–745 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1818