研 究 背 景

鋰離子電池在便攜式電子設備、電動汽車 (EV) 行業(yè)和智能電網領域得到廣泛應用；然而，易燃有機碳酸酯液體電解質的使用使得商用鋰離子電池存在較高的安全隱患。固態(tài)鋰電池采用固態(tài)電解質和鋰金屬負極，兼具高安全和高能量密度的性能優(yōu)勢，已成為下一代鋰離子電池發(fā)展的必經之路。 作為固態(tài)鋰電池的重要組成部分，固態(tài)電解質的理化性質對固態(tài)鋰電池電化學性能的發(fā)揮至關重要。理想的固態(tài)電解質材料應具有高的室溫離子電導率、高的氧化電位、高的機械強度，同時對正負電極具有良好的界面相容性。 值得注意的是，鋰金屬負極循環(huán)過程中存在巨大的體積效應，緊密而穩(wěn)定的鋰金屬負極/固態(tài)電解質界面對于固態(tài)鋰電池性能的表達十分重要。 近日，針對固態(tài)電解質與鋰金屬負極界面結合力弱、界面阻抗高、電池循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，哈爾濱工業(yè)大學特種化學電源研究所左朋建教授、高云智教授等提出了一種全新的界面“分子橋”修飾改性策略：通過在鋰金屬負極/固態(tài)電解質界面處形成 R-C-Si-O-Li 共價鍵來提高界面粘結力，實現原位固化丁二腈基固態(tài)電解質/鋰金屬負極界面的長效穩(wěn)定。 “分子橋”修飾改性的Li/Li對稱電池在循環(huán)前擱置階段表現出低的界面阻抗 (~85 Ω)，循環(huán)過程中表現出穩(wěn)定的極化電壓 (~15 mV)、超長的循環(huán)壽命 (800 h)，循環(huán)后鋰負極表面無枝晶生長行為。同時，“分子橋”修飾改性的高電壓LiCoO2/Li固態(tài)鋰電池表現出優(yōu)異的電化學性能。

本 文 要 點

要點一：固態(tài)電解質/鋰金屬負極界面“分子橋”的原位構筑利用浸置預處理方法，將金屬鋰置于硅烷偶聯(lián)劑A151/THF混合溶液中，A151分子的無機反應基團與 Li 表面的雜質相LiOH反應，形成Si-O-Li共價鍵；隨后，接枝在鋰負極表面的A151分子的親有機端能夠與丁二腈基固態(tài)電解質前驅體溶液中的季戊四醇四丙烯酸酯（PETEA）單體在引發(fā)劑的作用下發(fā)生原位共聚；以上設計使得A151分子在鋰金屬負極/丁二腈基固態(tài)電解質界面處起到“分子橋”的連接作用。

圖1 鋰金屬負極和丁二腈固態(tài)電解質之間界面“分子橋”的形成過程 要點二：“分子橋”修飾提升鋰金屬負極/固態(tài)電解質界面穩(wěn)定性“分子橋”修飾后的固態(tài)電解質/鋰負極界面緊密接觸，Li/Li對稱電池的初始界面阻抗十分穩(wěn)定且相對較低（~85 Ω），對稱電池在充放電循環(huán)過程中顯示出穩(wěn)定的極化電壓（~15 mV），在0.1 mA cm-2_0.1 mAh cm-2的條件下可以穩(wěn)定循環(huán) 800 h以上，且無任何枝晶生長行為，充分證明界面“分子橋”的存在可以有效改善固態(tài)鋰電池鋰金屬負極界面的電化學沉積/剝離行為。

圖2 采用原始鋰(a)和“分子橋”修飾鋰(b)負極的Li/Li對稱電池在循環(huán)前的電化學交流阻抗譜，(c) Li/Li對稱電池的恒電流充放電壓-時間曲線，(d, e) 原始鋰負極和分子橋”修飾鋰負極在200次循環(huán)后的光學照片和相應的 SEM 圖像，(f)“分子橋”作用機制示意圖 要點三：“分子橋”修飾提升高電壓固態(tài)鋰電池電化學性能基于原位聚合技術制備了高電壓LiCoO2/Li固態(tài)鋰電池。界面“分子橋”的存在使得LiCoO2/Li電池循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能得到顯著提升（0.5C循環(huán)160次容量保持率達到 95.8 %，5C倍率放電比容量高達154.8 mAh g-1）。

圖3 采用原始鋰（a, c, e）和“分子橋”修飾鋰（b, d, f）負極的LiCoO2/Li固態(tài)鋰電池的電化學性能：(a, b) 循環(huán)穩(wěn)定性和庫倫效率，(c, d) 充放電電壓曲線，(e, f) 倍率性能

總 結 與 展 望

該工作提出一種硅烷偶聯(lián)劑分子與鋰金屬負極和固態(tài)電解質反應形成主要由C-C和Si-O-Li共價鍵組成的界面“分子橋”策略，可有效增強鋰金屬負極與固態(tài)電解質膜之間的界面潤濕性和接觸穩(wěn)定性。“分子橋”修飾的對稱電池界面阻抗和極化電壓顯著降低，實現了超長循環(huán)和無枝晶鋰表面。此外，高電壓固態(tài)鋰電池顯示出優(yōu)異電化學性能。本工作能夠為固態(tài)鋰電池負極側的界面優(yōu)化研究提供一定的理論指導。

審核編輯 ：李倩