同样是人工SEI，为何这篇性能翻倍！崔屹&鲍哲南今日Nature Energy

第一作者：Zhuojun Huang, Jian-Cheng Lai

通讯作者：崔屹教授，鲍哲南教授

通讯单位：美国斯坦福大学

【研究背景】

锂金属负极电池因其高理论比容量而作为下一代储能器件显示出巨大的潜力，但锂金属电池（LMBs）的容量会迅速衰减，一个主要原因是锂金属和电解液之间的界面不稳定。为了提高负极的性能，有三种常规路线：电解液工程、界面设计或两者的混合。作为一种界面设计方法，在锂负极电极上施加聚合物层有助于稳定该界面并促进LMBs的长循环稳定性。同时，聚合物因其可调化学成分而备受青睐，且聚合物层有望与底层锂金属发生物理和化学相互作用。在化学上，聚合物层可以与锂金属反并产生界面层。总体目标是产生强大的SEI，这也是促进电极稳定循环的必备条件。

当锂金属与电解液直接接触时，它通常与锂盐和溶剂反应形成SEI。许多最近的电解液设计都填充了富含阴离子的内部溶剂化护套的概念，由此产生的盐衍生SEI具有坚固性，可促进电池的长循环稳定性。

【主要内容】

在此，美国斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授提出了一种用于锂金属负极的亲盐、疏溶剂（SP²）聚合物涂层，它选择性地将锂盐转运到溶剂上，从而促进盐衍生SEI的形成。与先前报道的人工SEI不同，该SP²涂层方法增强了在几种类型的溶剂（如乙醚、碳酸酯和氟化醚）中的循环性能。具体来说，SP²涂层进一步提高了最近报道的高性能氟化醚电解液的循环寿命，在全电池循环中，具有聚合物涂层的50 μm Li负极和2.5 mAh cm^-2的镍锰钴氧化物（NMC）正极在碳酸酯电解液中的循环寿命（80%容量保持率）增加了约2.5倍，在氟化醚电解液中增加了约2倍。

相关文章以“A salt-philic, solvent-phobic interfacial coating design for lithium metal electrodes”为题发表在Nature Energy。

【图文解析】

材料制备

结果显示：PyTFSI侧链具有亲盐性，具有中等的疏溶剂性。为了进一步提高聚合物的疏溶剂性，用全氟链（SP²_perF）或烷基链（SP²_alkyl）取代40%的PyTFSI侧链。SP²_perF使其在醚中的接触角从20°增加到32°，在碳酸酯中从35°增加到44°，在氟化醚溶剂中从22°增加到29°，SP²_alkyl也表现出类似的改善。这种设计策略产生了一种聚合物涂层，有望选择性地在溶剂上运输盐。

综上所述，本文研究了六种不同的聚合物，每一种代表不同水平的亲盐和疏溶剂性：甘氨酸是亲盐而不疏溶剂，烷基和全氟链疏溶剂而不是亲盐，PyTFSI是亲盐且具有中等的疏溶剂性，SP²设计具有亲盐和疏溶剂的部分。

图1 SP²涂层的设计理念。

图2 聚合物和侧链的亲盐和疏溶剂的表征。

图3 PyTFSI和SP²_perF聚合物的选择性。

图4 不同电解液作用下SP²_perF的电化学表征。

图5 SP²_perF包覆的Li在Li | |NMC电池中的循环性能。

【结论展望】

综上所述，SEI的化学性质对于LMBs的稳定循环至关重要，本文演示的SP²界面设计促进了盐驱动的SEI的形成，提高了循环性能。通过物理相互作用，调整了电极-电解液界面的化学反应。因此，通过材料和电化学表征优化了涂层，并得出了一种聚合物组合物，可以改善三个主要电解液类别（醚、碳酸盐和氟化醚）的电池性能。在全电池循环中，本文的涂层使用最先进的电解液改善了电池循环性能。更急重要的是，SP²设计概念可以扩展到其他聚合物中，并可能与其他新兴电解液配对。

【文献信息】

Zhuojun Huang, Jian-Cheng Lai, Sheng-Lun Liao, Zhiao Yu, Yuelang Chen, Weilai Yu, Huaxin Gong, Xin Gao, Yufei Yang, Jian Qin, Yi Cui, Zhenan Bao, A salt-philic, solvent-phobic interfacial coating design for lithium metal electrodes, 2023, Nature Energy.

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01252-5