液態(tài)聚二甲基硅氧烷的界面原位催化嫁接以實(shí)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(fù)極材料。當(dāng)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(dá)500- 900 Wh kg-1的鋰金屬電池(LMBs)。然而，負(fù)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(fù)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(yán)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(qiáng)SEI膜、改善負(fù)極界面從而延緩鋰枝晶生長的策略，而SEI的增強(qiáng)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(jī)成分的SEI層柔韌性較差以及現(xiàn)有有機(jī)無機(jī)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(tuán)隊提出了一種簡便有效的界面原位催化嫁接策略，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電池負(fù)極的高效穩(wěn)定和枝晶抑制。相關(guān)研究發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上（Advanced Functional Materials，2019, 1902220，DOI:10.1002/adfm.201902220）。

 

　　在該工作中，研究團(tuán)隊通過將-OCH3基團(tuán)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(shí)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(jī)的LixSiOy快離子導(dǎo)體。這樣的有機(jī)-無機(jī)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(jìn)一步增強(qiáng)。LiF和LixSiOy的硬無機(jī)成分組合可提供快離子通道和界面，實(shí)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(qiáng)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(hù)下的負(fù)極可賦予Li|Li 對稱電池長達(dá)1800 h的穩(wěn)定循環(huán)，同時實(shí)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(shí)現(xiàn)高達(dá)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(tuán)隊針對鋰金屬電池負(fù)極界面改性研究已取得系列進(jìn)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(qiáng)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(fù)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(shí)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(jī)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(qiáng)策略（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 3869），提出絲膠蛋白保形包覆實(shí)現(xiàn)空氣穩(wěn)定鋰金屬負(fù)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(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助和支持。