在追求下一代儲(chǔ)能方式的不懈努力中，鋰電池因其無(wú)與倫比的能量密度，長(zhǎng)期被視為終極解決方案。然而，鋰金屬負(fù)極本質(zhì)上極不穩(wěn)定（主要源于其與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)極高的反應(yīng)活性），給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。由Li、Kou、Nguyen及其科研團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究，有望重新定義鋰電池技術(shù)的格局。該研究展示了一種新方式，能夠形成極其穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI），從而制造出具有性能指標(biāo)卓越的長(zhǎng)壽命鋰電池。
鋰金屬負(fù)極易形成枝晶，具有與液態(tài)電解質(zhì)劇烈反應(yīng)的傾向，這會(huì)侵蝕負(fù)極表面并導(dǎo)致容量衰減，引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。解決這些問(wèn)題的核心在于形成堅(jiān)固的固體電解質(zhì)界面層SEI——一種既能保護(hù)鋰金屬表面，又能允許鋰離子通過(guò)的鈍化層。此前，獲得穩(wěn)定的SEI一直有著巨大障礙，因?yàn)榻缑嫦嗍峭ㄟ^(guò)電解質(zhì)分解自發(fā)形成的，這導(dǎo)致界面層無(wú)序且脆弱，無(wú)法經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)。
為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，該研究提出了一種漸進(jìn)式的雙重鈍化聚合物涂層技術(shù)，為SEI工程提供了一種革命性的方法。與僅依賴電解質(zhì)添加劑或人工SEI層的傳統(tǒng)方法不同，該策略利用一種合成的共聚物涂層，不僅能夠化學(xué)鈍化鋰金屬表面，還能調(diào)節(jié)電解質(zhì)中的離子環(huán)境。這種雙重功能機(jī)制能夠精密控制SEI的形成，實(shí)現(xiàn)了前所未有的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)整合的新型界面層，克服了長(zhǎng)期存在的鋰金屬負(fù)極的不穩(wěn)定性難題。
該技術(shù)的核心突破在于，聚合物涂層可精準(zhǔn)調(diào)控二元鹽碳酸酯電解質(zhì)中的鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)。通過(guò)選擇性陰離子解配位——即共聚物涂層選擇性影響電解質(zhì)中陰離子的鍵合過(guò)程——該涂層可引導(dǎo)分解反應(yīng)路徑，最終形成化學(xué)均質(zhì)的固態(tài)電解質(zhì)界面膜。這種雙重鈍化機(jī)制產(chǎn)生了一種獨(dú)特的雙層SEI結(jié)構(gòu)：外層是由聚合物涂層衍生的、富含氟化鋰（LiF）的化學(xué)鈍化層；內(nèi)層則是源于電解質(zhì)分解產(chǎn)生的氧化鋰（Li2O）富集鈍化層。這兩層相結(jié)合，將化學(xué)穩(wěn)定性與機(jī)械魯棒性有機(jī)融為一體。
這種集成化SEI的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。因?yàn)榉嚕↙iF）已被確認(rèn)為一種高效的鈍化物質(zhì)，以其化學(xué)惰性和高離子電導(dǎo)率而聞名，有助于最大程度地減少負(fù)極表面的持續(xù)副反應(yīng)。與此同時(shí)，氧化鋰（Li2O）則有助于提升SEI的機(jī)械完整性，通過(guò)提供均勻且柔性的屏障來(lái)阻止枝晶生長(zhǎng)。這種組合不僅確保了高效的鋰離子傳輸，而且電池即使在嚴(yán)苛的循環(huán)條件下也能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的電化學(xué)穩(wěn)定性。
重要的是，這種雙重鈍化涂層結(jié)構(gòu)能夠在碳酸酯電解質(zhì)中有效發(fā)揮作用——這類電解質(zhì)因其穩(wěn)定性和安全性在商業(yè)鋰離子電池中被廣泛使用，但一般認(rèn)為其對(duì)鋰金屬負(fù)極會(huì)有所影響。通過(guò)在此類電解質(zhì)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，這項(xiàng)研究為開(kāi)發(fā)更加易用的鋰電池架構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，而且無(wú)需對(duì)復(fù)雜或昂貴的電解質(zhì)配方進(jìn)行更改。這對(duì)于在現(xiàn)有電池制造生態(tài)中推廣鋰金屬技術(shù)具有深遠(yuǎn)意義。
采用該涂層的鋰電池在性能測(cè)試時(shí)顯示出非凡的循環(huán)壽命。與NMC811正極配對(duì)的鋰電池，在有限的電解質(zhì)/容量比僅為2克/安時(shí)（gAh-1）條件下展現(xiàn)出驚人的能力：在611次循環(huán)后仍能保持80%的初始容量。不同于許多使用過(guò)量電解質(zhì)來(lái)人為增強(qiáng)穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，這種低E/C比的要求極為嚴(yán)苛，其能夠模擬出電解質(zhì)體積有限的實(shí)際條件。在軟包電池中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，凸顯了該涂層策略的工業(yè)適用性和商業(yè)可行性。
這項(xiàng)創(chuàng)新研究同時(shí)揭示了固態(tài)電解質(zhì)界面形成過(guò)程的微妙機(jī)制。通過(guò)先進(jìn)表征技術(shù)和電化學(xué)測(cè)試，該研究解析了共聚物如何在分子水平上調(diào)控局部溶劑化環(huán)境，改變鋰離子與電解液陰離子的配位結(jié)構(gòu)。對(duì)溶劑化化學(xué)的精準(zhǔn)調(diào)控至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了在最初數(shù)個(gè)充放電循環(huán)中，形成固態(tài)電解質(zhì)界面并推動(dòng)其持續(xù)演化的初始電化學(xué)反應(yīng)。
更重要的是，該涂層通過(guò)構(gòu)建完整且化學(xué)結(jié)構(gòu)明確的SEI，有效緩解了持續(xù)性電解液分解和鋰損耗問(wèn)題——這兩者正是導(dǎo)致容量衰減和枝晶生長(zhǎng)引發(fā)短路等安全隱患的主因。穩(wěn)定的SEI還能保護(hù)鋰金屬表面，防止孤立且電絕緣的鋰沉積物形成“死鋰”，從而有效保證活性鋰的存量，直接提升電池的庫(kù)倫效率和循環(huán)壽命。
該研究從根本上提升了學(xué)界認(rèn)知：SEI的形成不應(yīng)僅被視為電解液主導(dǎo)的現(xiàn)象，而應(yīng)理解為受外部工程（本研究通過(guò)聚合物化學(xué)）調(diào)控的動(dòng)態(tài)界面過(guò)程。這為設(shè)計(jì)同時(shí)作用于電極/電解液界面的多功能涂層開(kāi)辟了新路徑，利于構(gòu)建更可預(yù)測(cè)、更耐久的鈍化層——這對(duì)下一代電池的架構(gòu)至關(guān)重要。
本研究具備的廣泛意義不僅限于鋰金屬電池。關(guān)于電解液-離子配位和界面化學(xué)的原理，可推廣至鈉/鉀金屬電池等其他負(fù)極體系（這些體系同樣面臨界面不穩(wěn)定這一主要瓶頸）。此外，該方法與固態(tài)電解質(zhì)等新興策略具有協(xié)同效應(yīng)，最終可能催生超高能量密度且足夠安全的混合解決方案。
盡管商用鋰金屬電池的終極目標(biāo)始終是實(shí)現(xiàn)高容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命電池在電動(dòng)汽車與電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化，但本研究標(biāo)志著關(guān)鍵性突破：通過(guò)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)碳酸酯電解液體系在實(shí)際注液量工況下的穩(wěn)定循環(huán)性能，顯著縮短了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用間的鴻溝。此類進(jìn)步對(duì)推動(dòng)鋰金屬負(fù)極整合到現(xiàn)有現(xiàn)代制造體系與應(yīng)用場(chǎng)景中至關(guān)重要。
展望未來(lái)，可通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化共聚物分子化學(xué)，針對(duì)特定電解液配方和正極化學(xué)體系實(shí)現(xiàn)SEI特性的精準(zhǔn)定制。持續(xù)結(jié)合原位表征工具與多尺度模擬技術(shù)，將深度解析長(zhǎng)循環(huán)工況下聚合物涂層-電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)-界面相演變的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制，為跨場(chǎng)景應(yīng)用奠定科學(xué)基礎(chǔ)。
這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究彰顯了化學(xué)與界面工程學(xué)攻克鋰金屬負(fù)極老大難問(wèn)題的強(qiáng)大威力。遞進(jìn)式雙重鈍化聚合物涂層概念精巧地彌合了鋰金屬表面防護(hù)與電解液相互作用間的鴻溝，構(gòu)筑出穩(wěn)定高效的復(fù)合型SEI體系，推動(dòng)鋰金屬電池向?qū)嵱没?、?guī)?；瘧?yīng)用邁進(jìn)。該突破為電池科學(xué)樹(shù)立了新標(biāo)桿，也將加速孕育對(duì)可持續(xù)電氣化未來(lái)至關(guān)重要的高比能、長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能解決方案。