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文 章 信 息
动态超分子弹性体界面层促使的锂离子-偶极子相互作用实现无枝晶锂金属负极
第一作者：陈晶
通讯作者：林志群*，丁书江*
单位：新加坡国立大学，西安交通大学
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研 究 背 景
锂（Li）金属因其具有高的理论比容量（3860 mA h g−1）和最低的还原电位（与标准氢电极相比，-3.04 V），被广泛地用于可充电电池负极，在满足日益增长高比能储能设备需求方面展现出巨大的潜力。锂金属低的电化学还原电位使其与电解质非常容易发生电化学反应，尤其是与碳酸酯类电解质。该电化学反应产物会自发在锂负极表面形成一层固体电解质界面（SEI）钝化层，用于阻止与电解质进一步发生副反应。然而，自发形成的SEI通常不均匀且不稳定，这种界面不稳定性导致锂离子（Li+）沉积不均匀，SEI层持续开裂或分层，进一步使新鲜的锂与电解质接触，不断消耗电解质，促进锂枝晶的生长。最终，锂枝晶不可控的生长和电解质的持续消耗导致库仑效率（CE）降低和容量损失加速，从而引发电池故障和严重的安全问题。
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文 章 简 介
近日，来自西安交通大学丁书江教授与新加坡国立大学林志群教授合作，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Li+ Ion-Dipole Interaction-Enabled a Dynamic Supramolecular Elastomer Interface Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes”的文章。
图1. DSE/Li负极锂成核和生长过程的示意图
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本 文 要 点
要点一：动态超分子弹性体（DSE）界面层促使的Li+离子-偶极子相互作用
DSE结构由软相和硬相组成，软相由具有松弛Li+-O离子配位作用的聚四亚甲基醚乙二醇（PTMEG）组成，促进快速Li+离子传输；硬相由富硫(S)的双（2-羟乙基）二硫化物（HEDS）和富氮(N)的2-脲基-4-嘧啶酮（UPy）组成，具有S和N电负性亲锂位，能够被Li金属还原，产生强的Li-S和Li-N Li+离子-偶极相互作用。通过氢化4,4′-亚甲基二苯二异氰酸酯（HMDI）聚合软硬相，自发形成动态超分子聚合物网络，具有离子电导率高、机械稳定性强、自愈性和化学钝化等优异的综合性能。
要点二：DSE界面层稳定锂负极的机理分析
首先，DSE界面层与Li金属还原形成强Li+离子-偶极子相互作用，实现稳定且致密的人工SEI层，防止Li表面与电解质接触后发生不受控制的副反应。其次，由Li+离子-偶极子相互作用诱导形成的快离子导体界面层，包括Li2S和Li3N，有利于Li+在界面处有序扩散，降低界面阻力，引导Li+均匀沉积。最后，DSE的动态力学稳定使其能够适应循环过程中明显的体积变化，提高界面稳定性，抑制枝晶生长，实现均匀稳定的锂沉积/剥离过程。
要点三：DSE/Li负极在碳酸盐电解质中优异的电化学性能
得益于优异的DSE界面层，DSE/Li负极在Li|Li对称电池、Li|Cu半电池、Li|LFP或Li|NMC811全电池中都表现出优异的循环稳定性。具有DSE层的对称Li||Li电池可以在1 mA cm-2和1 mA h cm-2下稳定循环超过6000小时，远优于最近报道的人工SEIs。此外，DSE/Li负极与LFP或高压正极NMC811匹配的全电池，即使在有限锂负极（40 μm），高负载NMC811正极（21.5 mg cm-2）和低负极/正极容量（N/P=1.37)）的严苛条件下，均表现出高效的锂沉积和循环稳定性。
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文 章 链 接
“Li+ Ion-Dipole Interaction-Enabled a Dynamic Supramolecular Elastomer Interface Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes”
https://doi.org/10.1021/jacs.4c08766
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通 讯 作 者 简 介
林志群教授简介：现任新加坡国立大学化学与生物分子工程教授。林教授的研究方向包括嵌段共聚物、共轭聚合物、功能纳米晶体、太阳能电池、光催化、电催化、电池、具有多层次结构的组装材料以及其表界面性质等。林教授以通讯作者身份在Science, Nat. Nanotech.，Nat. Synth., PNAS, Sci. Adv., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.,等学术刊物上发表了超过400篇同行评审期刊文章（h指数为116），19个专著章节，9部书籍。目前担任Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Nanoscale和Nanoscale Advances的副主编。
丁书江教授简介：西安交通大学化学学院教授，化学学院院长。丁教授的研究方向聚焦于高分子/无机物纳米结构复合材料的设计，制备及其在电化学储能（锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、固态电池、锂离子电池回收）方面的应用基础研究。以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. int. Ed., Adv. Mater., Nat. Commun.等学术期刊上发表了200余篇论文（h指数为77）。科研项目包括国家自然科学基金重点项目和面上项目等。获奖包括：2016年陕西青年科技奖，2017年陕西省高等学校科学技术奖一等奖，2024年陕西省高等学校科学技术研究优秀成果奖一等奖。目前担任Energy Storage and Saving的副主编。
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第 一 作 者 简 介
陈晶博士简介：现于新加坡国立大学从事博士后研究工作。2014-2017年于西北工业大学攻读材料学硕士学位，2019-2023年于西安交通大学攻读材料科学与工程博士学位。目前在国际主流期刊上已发表论文十余篇，其中以第一作者（包括共同第一作者）在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）发表论文5篇，1篇入选为ESI高被引论文。申请国家发明专利4项。主要研究工作包括聚合物结构的精准设计，可控合成与制备，及其在电化学储能（聚合物固态锂电池、锌基电池）以及柔性传感器等方面的应用基础研究。
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