液態(tài)聚二甲基硅氧烷的界面原位催化嫁接以實現(xiàn)無枝晶的鋰電鍍和高可逆的鋰金屬電池
 

　   金屬鋰具有極高的理論比容量與極低的氧化還原電位，有望成為下一代負極材料。當其與轉(zhuǎn)換反應(yīng)型硫基和氟基正極匹配時，有望得到能量密度高達500- 900 Wh kg-1的鋰金屬電池(LMBs)。然而，負極端鋰枝晶的生長蔓延容易導(dǎo)致鋰金屬電池循環(huán)穩(wěn)定性變差，且具有電池短路的安全風(fēng)險；擠壓出來的鋰枝晶也有可能破壞固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）層或形成“死鋰”，隨著鋰金屬負極比表面積和孔隙率的增加，電解液的消耗加劇，同時SEI累積變厚而造成電極鈍化。這些不利因素會導(dǎo)致電池阻抗和過電勢增加，引起庫侖效率(CE)的下降和波動，嚴重限制了鋰金屬電池的發(fā)展。通過添加低含量電解液添加劑來調(diào)節(jié)SEI組分，是一種簡單有效的增強SEI膜、改善負極界面從而延緩鋰枝晶生長的策略，而SEI的增強效果取決于添加劑與還原性Li表面的降解反應(yīng)過程。

 

　　針對單一無機成分的SEI層柔韌性較差以及現(xiàn)有有機無機雜化SEI層的構(gòu)建操作復(fù)雜的難題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團隊提出了一種簡便有效的界面原位催化嫁接策略，實現(xiàn)了鋰金屬電池負極的高效穩(wěn)定和枝晶抑制。相關(guān)研究發(fā)表在《先進功能材料》上（Advanced Functional Materials，2019, 1902220，DOI:10.1002/adfm.201902220）。

 

　　在該工作中，研究團隊通過將-OCH3基團封端的液體聚二甲基硅氧烷（PDMS-OCH3）作為可嫁接添加劑，通過電化學(xué)勢和電場作用實現(xiàn)其在鋰金屬表面的“接枝”和“碎片”反應(yīng)。鋰金屬表面天然存在的Li2O和LiOH薄層“皮膚”，在電荷轉(zhuǎn)移作用下，可催化激活PDMS-OCH3 的解離反應(yīng)，破碎后的大分子可嫁接到鋰金屬表面，同時更小的分子可密化成無機的LixSiOy快離子導(dǎo)體。這樣的有機-無機雜化界面相(即接枝SEI)在電化學(xué)過程中被注入的高濃度LiF進一步增強。LiF和LixSiOy的硬無機成分組合可提供快離子通道和界面，實現(xiàn)離子流的均化效應(yīng)，起到阻礙鋰枝晶生長的屏障作用；而軟的PDMS分支則可增強整個SEI的柔韌性和緩沖效果。將液體的PDMS-OCH3作為碳酸酯體系的添加劑，其嫁接保護下的負極可賦予Li|Li 對稱電池長達1800 h的穩(wěn)定循環(huán)，同時實現(xiàn)25 mV左右的小電位極化。Li|Cu非對稱電池在大電流密度和高面容量的條件下仍可實現(xiàn)高達97%的庫倫效率。在鋰金屬致密化和SEI穩(wěn)定化方面，液態(tài)PDMS添加劑具有比其他嫁接能力弱的固體硅氧烷添加劑更顯著的優(yōu)勢。

 

　　近期，李馳麟團隊針對鋰金屬電池負極界面改性研究已取得系列進展，提出了功能添加/填充劑和保形包覆手段來設(shè)計穩(wěn)定的人工SEI層，率先提出二維碳氮聚合物（C3N4）增強電解質(zhì)抑制鋰枝晶生長的策略（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 11615），提出多孔鎂金屬網(wǎng)絡(luò)原位鍍層以穩(wěn)定鋰負極可逆循環(huán)的手段（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 12678），率先提出一類富鋰氟基開框架固態(tài)電解質(zhì)高離子導(dǎo)電率的實現(xiàn)途徑及其對鋰離子流的均化效應(yīng)（Energy Storage Mater. 2018，14，100; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 34322），提出金屬有機框架（MOF）固體添加劑觸發(fā)高濃度LiF原位注入Zr-o-C基SEI的復(fù)合增強策略（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 3869），提出絲膠蛋白保形包覆實現(xiàn)空氣穩(wěn)定鋰金屬負極和高倍率Li-S電池的方法（J. Power Sources 2019, 419, 72），提出可誘導(dǎo)鋰金屬保形共軸沉積的合金三維骨架構(gòu)筑（ACS Appl. Energy Mater. 2019, DOI: 10.1021/acsaem.9b00573）。

 

　　以上系列研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助和支持。