| |
 |
图 高比能金属锂电池中 (a) 单层SEI和 (b) 双层SEI形成及工作机制示意图；(c) 5.4安时软包电池实物照片及循环性能。LiF：氟化锂，LiPOM：锂化聚甲醛
在国家自然科学基金项目（批准号：22209010、22109086）的资助下，北京理工大学黄佳琦教授团队针对下一代高比能金属锂电池界面稳定性差的问题，提出了一种均匀、机械性能稳定的固态电解质界面膜（SEI）设计思想，并成功在440 Wh/kg高比能金属锂电池器件中实现了130次稳定循环。研究成果以“金属锂电池中聚甲醛基电解液构筑均匀、机械稳定的固态电解质界面膜（Homogeneous and mechanically stable solid–electrolyte interphase enabled by trioxane-modulated electrolytes for lithium metal batteries）”为题，于2023年6月12日发表在《自然•能源》（Nature Energy）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01275-y。
高比能电池在推动电动汽车、便携式电子产品、国防军事装备的升级迭代中发挥了重要作用。传统锂离子电池采用石墨类负极，其能量密度受限于插层反应机制，难以突破350 Wh/kg的理论能量密度上限；基于转化反应机制的金属锂负极为构建能量密度超过400 Wh/kg的下一代高比能电池提供了新机遇。但是，金属锂电池的循环寿命短，严重阻碍了其实际应用。金属锂负极和电解液之间形成的SEI不稳定，导致活性锂和电解液的快速耗尽，是金属锂电池循环寿命短的主要原因。因此，深入理解金属锂电池中金属锂负极和电解液界面的形成机制和演化原理，构筑高均匀性和机械稳定性的SEI，是提升金属锂负极稳定性所亟需解决的关键科学问题，也是自锂电池诞生五十余年以来一直困扰着科研人员的全球性难题。
为解决上述挑战，黄佳琦团队在前期对金属锂/电解液界面的研究基础上，提出了一种纳米尺度双层结构SEI的设计思想。该设计思想通过在内层采用氟化锂（LiF）来改善均匀性，在外层采用锂化聚甲醛（LiPOM）来提高机械稳定性，从而协同构筑了高均匀性和高机械性能的稳定双层结构SEI。通过采用先进的飞行时间二次离子质谱、原位电化学原子力显微镜等方法，研究团队揭示了双层结构SEI在金属锂负极充放电过程中提升界面稳定性的机制。与传统SEI相比，这种双层结构SEI的机械强度提高一倍以上，实现了高比能金属锂软包电池的稳定循环。
基于这一双层结构SEI的设计思想，该团队所实现的高比能金属锂电池充放电稳定性达到了国际一流水平。该工作建立的电极/电解液界面系统研究方法为后续界面研究提供有效参考，同时也为其他新兴电池体系界面设计策略提供有益借鉴。