▲通讯作者：卢云峰 (UCLA), 刘肖燕(上海师大), 肖胜雄 (上海师大)
通讯单位：上海师范大学&UCLA
DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106214
金属锂因其具有极高的理论容量(3860 mAh·g-1)、最低的电极电位(-3.04 V vs.标准氢电极)和低的密度(0.534 g·cm-3)，被认为是最具潜力的电池负极材料。然而锂金属电池的寿命却受限于锂金属负极的稳定性问题严重阻碍了锂金属负极的发展，所以如何改变锂金属在电化学沉积过程中的晶体生长行为，促进其均匀致密沉积被认为是优化锂金属电池性能的关键。其中，通过在电极表面构建人造保护膜是一种可以有效地调控锂离子沉积行为，且抑制锂枝晶生长的简单而高效的策略。
近日，上海师范大学肖胜雄教授和刘肖燕讲师，以及UCLA卢云峰教授课题组在《Nano energy》上发表了题为“Negatively Charged Polymeric Interphase for Regulated Uniform Lithium-ion Transport in Stable Lithium Metal Batteries”的研究论文，通过原位自聚反应合成制备了一种新型的聚合物poly-2,3,7,8-tetrakis((trimethylsilyl)ethynyl)pyrazino[2,3-g]quinoxaline-5,10-dione (PPQ)作为锂金属保护膜。
▲图一 PPQ人工保护膜在锂金属表面的合成及其抑制锂枝晶生长效果示意图。
要点：在室温下，采用快速简易的旋涂方式，通过单体PQ在锂金属负极表面上原位自聚反应，形成一层薄且致密的PPQ聚合物保护膜。该人工保护膜的优点包括：2）含有丰富的官能团，比如炔键、N、O杂原子等，可有效地提高锂离子的迁移速度；3）即使浸润在电解液中仍具有较高机械强度，可以有效地抑制锂枝晶的生长。要点：恒压极化测试表明，使用PPQ电解质界面膜，锂离子迁移数（tLi+）可高达0.74，电池的库伦效率也得到了提升。对称电池循环性能测试表明，有PPQ涂覆的锂金属负极在循环过程中较普通锂负极有着更小的过电势和界面阻抗。要点：在锂沉积/剥离循环100圈后，用AFM表征电极的界面形貌和ZETA电位分布状况，发现对照组由于锂离子在负极表面的不均匀沉积，体积膨胀严重，且电位分布不均匀，而实验组表面平整，且电位分布均匀。此外，从SEM图可以更直观地观测到实验组锂金属表面依然保持平整致密，而对照组表面松散且产生了明显的枝晶。▲图四 匹配商用三元镍钴锰酸锂(NCM)正极及锂负极的全电池长循环与倍率性能测试。
要点：匹配商用NCM（~3 mAh cm-2）电极进行全电池测试，实验组全电池的循环稳定性和倍率特性都得到了显著的提升。https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106214卢云峰 (Yunfeng Lu)，加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系教授。博士就读于新墨西哥大学化学工程专业，师从C. Jeffrey Brinker。在2005 年同时获得总统科学家和工程师早期职业奖(Presidential Early Career Awards for Scientists and Engineers )；美国能源部早期职业科学家和工程师奖 (Early Career Scientist and Engineer Awards, Department of Energy)；美国化学会联合利华奖 (Unilever Award, American Chemical Society, Division of Colloid and Surface Chemistry)。研究方向：能源存储及转化; 药物递送及纳米医学。
刘肖燕，上海师范大学化学与材料科学学院讲师。2017年博士毕业于天津大学应用化学系，师从单忠强教授，2014年-2016年在美国加州大学洛杉矶分校卢云峰教授研究组联合培养，后加入上海师范大学从事博士后研究。主要从事电化学储能材料及器件的研究，包括锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池等，已在Nano Energy，Nano Lett.，ACS Energy Lett., J. Mater. Chem. A等国际期刊发表论文20余篇，主持和参与多项国家自然科学基金、上市科委科研项目等。
肖胜雄，上海师范大学化学与材料科学学院教授，上海市特聘教授（东方学者）。1999年本科毕业于武汉大学，2002年硕士研究生毕业于中国科学院化学研究所，导师李玉良院士，2007年博士毕业于美国哥伦比亚大学化学系，师从Colin Nuckolls教授，后加入美国斯克利普斯（The Scripps Research Institute）研究所从事博士后研究，导师Julius Rebek, Jr. 教授。肖教授主要从事有机光电材料、纳米碳材料的设计与合成，以及有机光电器件等领域的研究，已在Nature, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Acc. Chem. Res., Nano Lett.等国际期刊发表论文60多篇。主持国家自然科学基金、上海市教委、上海市科委等科研项目多项。
