厦大孙世刚院士/黄令教授AEM：聚合物调控SEI，实现可刚可柔！

研究背景

阳极材料的设计被认为是制造电池系统的核心课题，其中Li是一种常用的理想阳极材料。通常，电解质在锂金属阳极上分解，形成SEI层。由于SEI的存在，电解质和锂金属之间的接触减少，导致电池可循环且高效。然而，在电池循环过程中，锂阳极的大量膨胀可能导致SEI层破裂，暴露出可能与电解质反应的新鲜锂。因此，SEI的破裂导致低库仑效率（CE）和糟糕的循环稳定性。

一般来说，锂盐在电解质中的分解导致SEI层由无机化合物组成，而电解质溶剂主要由有机成分组成。一些研究人员报告称，增加SEI层中的无机含量有助于提高其稳定性和机械强度。之前研究了调节锂阳极界面的不同策略，包括使用电解质添加剂和人工SEI层。其中，通过使用电解质添加剂改变Li⁺的溶剂结构来调节SEI层的组成似乎更简单。在Li⁺通过SEI层期间，Li⁺脱溶剂化导致配位阴离子和溶剂分解并自发形成SEI层。

大多数电解质添加剂本身参与了SEI层的形成。此外，由于添加剂的持续分解，添加剂的效果逐渐消失。相比之下，人工SEI层，即额外的保护层直接接在锂金属表面上，不会随着电池循环而显著分解，人工SEI层因其特定的力学特性能够抑制枝晶的生长。此外，它有助于在穿过SEI后分散Li⁺，使Li⁺的通量均匀化，并减少枝晶的形成。

成果简介

厦大孙世刚院士/黄令教授AEM：聚合物调控SEI，实现可刚可柔！

近日，厦门大学孙世刚院士和黄令教授等人在锂金属阳极SEI的研究中取得进展，成果以Rigid and Flexible SEI Layer Formed Over a Cross-Linked Polymer for Enhanced Ultrathin Li Metal Anode Performance为题发表在Advanced Energy Materials上。

作者通过调节电解质溶剂和铜箔上的涂层聚合物之间的相互作用来构建SEI层，以提高电池稳定性。当稳定的SEI层完全建立时，它可以有效地在电池中长期工作。鉴于丙烯腈单体的高介电常数和宽电化学窗口，它能促进锂盐的解离和提高电池的电化学稳定性。同时，酯单体可以改善锂离子的运输。此外，可以改变酯单体的类型，以控制合成聚合物的分子结构。

基于上述两种单体的优势，通过不同单体之间的自由基聚合合成了两种聚合物，一种链结构标记为C-1，另一种交联结构标记为C-2。有趣的是，作者发现，由于分子相互作用，聚合物涂层会影响锂金属表面不同电解液成分的分解，从而导致SEI层成分的改变。

图1. 聚合物改性铜箔

对于具有交联结构的C-2聚合物，由于空间位阻，它与溶剂1,3-二氧戊环（DOL）的相互作用比C-1弱，由此产生的SEI无机成分更少，有机成分增加。因此，在C-2改性铜箔表面形成的SEI层表现出保持其刚性和柔韧性的独特特性。而C-1改性的铜箔上，因为C-1与DOL的作用更强，SEI中无机成分含量更高而显示出更具刚性。

实验上，在550个周期的电流密度为0.2 mA cm⁻²的测试中，与C-2改性铜箔组装的Li/Cu电池的平均CE达到98.7%。此外，铜箔可以用作薄锂阳极的宿主，这减少了锂的使用并缓解了安全问题。在循环测试期间，与C-2改性的Cu箔联合组装时，由10微米超薄锂阳极组装的Li/Li对称电池在3 mA cm⁻²的电流密度下实现1300小时的长时间循环，获得了出色的性能。

超薄的Li阳极可以应用于Li/S电池，实现了更好的容量保持。带有C-2改性Cu箔（1.5×Li，0.5C）的电池在300个周期后保持的容量大于500 mAh g⁻¹，而带有C-1修饰Cu箔的电池的容量保持在400 mAh g⁻¹以上，优于裸铜箔电池300个周期后200 mAh g⁻¹的容量。

本文发现新型SEI层受电解质溶剂和铜箔涂层聚合物之间的相互作用调节，表现出刚度和柔韧性的独特结合。由于自由基聚合合成的聚合物的制备简单和成形分子结构的多样性，可以通过改变聚合物的功能基团、合成工艺等来开发更多的电解质系统。