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  鋰金屬電池是極具潛力的下一代高能量密度儲能電池，但其商業化應用還存在許多問題尚未解決。例如，金屬鋰負極與有機液態電解液在固液界面自發形成的SEI膜穩定性不足，在SEI膜裂紋處容易產生鋰枝晶，導致電池內部短路，影響電池的安全性；在鋰金屬電鍍/剝離循環時，新暴露的金屬電極表面也會不斷消耗了鋰負極和電解液，導致電池低的庫倫效率、差的循環壽命。因此，有必要設計一種具有可自愈合、高鋰離子電導率和高鋰離子選擇性的聚合物固態人工SEI膜，用來緩沖鋰金屬的體積變化、調節鋰金屬的沉積和生長。

  近期，中科院納米能源所、廣西大學蒲雄研究員課題組設計并制備了基于動態交聯聚二甲基硅氧烷的高自愈合能力和單離子導電的人工SEI膜（SS-ASEI），并通過添加一定量的SiO₂納米顆粒做增強劑來進一步優化其性能。此SEI膜具有以下幾個優勢（圖1）：（1）該聚合物SS-ASEI可以很容易地形成一層均勻的薄膜，為鋰負極提供物理保護，并抑制可能的枝晶生長; （2）由于SS-ASEI膜聚合物網絡中帶負電荷的基團，可以選擇性地促進Li⁺離子的遷移而抑制陰離子的遷移; （3）其高的彈性變形能力，即使存在非均質性Li生長引起的較大局部應變，也能保證界面接觸的親密和完整性; （4）在長時間循環后發生損傷時，其瞬間自愈能力將進一步幫助修復可能的裂紋。這些協同作用可以促進Li電鍍/剝離的均勻化，維持穩定的ASEI，延長壽命，抑制Li枝晶生長，抑制有害的副反應。用7 wt% SiO₂優化的SS-ASEI膜具有優異的性能，包括96%的自修復效率、0.13×10^-4 S cm^-1的離子電導率和0.71的鋰離子轉移數（圖2和圖3）。將這種SS-ASEI膜用于鋰金屬負極，在0.5 mA cm^-2和1.0 mAh cm^-2下，可以在1340 h內實現比較穩定的鋰電鍍/剝離（圖4）。改性后的鋰負極與商用NCM811 (LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂)負極組裝的電池具有優異的倍率性能和循環性能（圖5）。這種制備穩定鋰金屬負極的可行性方法為未來高能量密度鋰金屬電池的商業化展示了巨大潛力。該工作以“Self-Healing Single-Ion-Conductive Artificial Polymeric Solid Electrolyte Interphases for Stable Lithium Metal Anodes”為題發表在《Nano Energy》上。文章的第一作者是中科院納米能源所和廣西大學聯合培養的博士生常彩云。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1. 空白金屬鋰和SS-ASEI修飾金屬鋰的電鍍/剝離示意圖。

圖2. SS-ASEI的合成與表征。

圖3. SS-ASEI膜的電化學性能。

圖4. Li||Li對稱電池電鍍/剝離測試。

圖5. Li||NCM811全電池的電化學性能。

  該工作是團隊近期關于可自愈合、單離子導體人工聚合物SEI穩固金屬鋰負極的最新進展之一。本工作探究了基于動態交聯聚二甲基硅氧烷的高自愈合能力和單離子導電的人工SEI膜，并成功地應用于高能量密度的鋰金屬電池。近期，該團隊設計制備了一種動態交聯的PEO基固態離子導體獲得了優異的環境穩定性和高的離子電導率，實現了環境穩定的離子皮膚和電致發光器件（Adv. Mater. 2021, 33, 2101396），并探究了這種動態交聯的PEO基固態離子導體作為固態電解質在鋰金屬電池中的應用（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 46794）。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106871