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锂金属电池在实际应用中的瓶颈在于较差的循环稳定性以及锂枝晶问题。
2024年11月1日，厦门大学孙世刚院士、黄令教授、邓亚平副教授团队在Journal of the American Chemical Society期刊发表题为“Constructing an Artificial Interface as a Bifunctional Promoter for the Li Anode and the NCM Cathode in Lithium Metal Batteries”的研究论文，团队成员黄华裕为论文第一作者，邓亚平副教授、黄令教授、孙世刚院士为论文共同通讯作者。
该研究提出了一种通过构建混合人工界面来改善Li阳极的界面工程策略。该界面通过光控自由基聚合（photo-CRP）将聚乙二醇二丙烯酸酯-甲基丙烯酸六氟丁酯（PEGDA-HFMBA）和甲基丙烯酸六氟丁酯-三氟乙基碳酸酯（HFMBA-FEMC或PH@HF层）组装到Li阳极上。在这种混合界面中，PEGDA-HFMBA的内层作为具有柔韧性和抗断裂性的保护层；而HFMBA-FEMC的外层作为LiF储存层，可以促进Li的传质和均匀沉积。同时，一些过量的HFMBA和FEMC单体作为分子添加剂进一步溶解到电解液中，然后原位生成薄而坚固的富LiF的阴极电解质界面（CEI）。采用这种Li阳极后，Li/NCM811全电池的循环性能较使用裸Li阳极的电池得到显著提升，在400次循环后仍能保持81.8%的容量保持率，展现出优异的循环性能。当截止电压提高至4.5V或工作温度提高至45 ℃时，电池仍能稳定运行300次。
DOI：10.1021/jacs.4c11012
该研究利用原位光控自由基聚合（photo-CRP）方法设计了用于为LMBs的混合人工界面。聚乙二醇二丙烯酸酯-甲基丙烯酸六氟丁酯（PEGDA-HFMBA，PH）的内层由高LiF含量的PH共聚物组成。由于其柔韧性和抗断裂性，它可以作为锂阳极的保护层，抑制锂枝晶生长、体积膨胀和与碳酸盐电解质的副反应。此外，氟化聚合物的疏水性和热稳定性可增强其空气稳定性和阻燃性，而外层由甲基丙烯酸六氟丁酯-三氟乙基碳酸酯（HFMBA-FEMC，HF）作为LiF储层组成，含有一些过量的HFMBA和FEMC单体。通过分子热运动，这些单体溶解在电解液中作为添加剂，促进均匀的Li沉积、Li扩散和形成薄而坚固的CEI。随后使用商业碳酸盐电解液组装对称电池，与使用裸锂阳极的电池相比，其循环时间延长了五倍。在2.8-4.5 V的高电压窗口下，使用20 mg cm-2的高负载LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）电极的全电池的循环能力提升7倍。
总之，该研究设计了一种混合人工界面，用于同时保护锂阳极和NCM阴极，并通过原位光控自由基聚合（photo-CRP）途径进行组装。这种人工界面由两层组成，即高LiF含量的内部PH层和低LiF含量的外部HF层。其中，梯度分布的LiF加速了Li的传输，实现了均匀的Li电沉积。内部PH层起到保护屏障的作用，防止锂膨胀和枝晶生长，提高锂阳极的稳定性，减少与电解液的副反应。外部HF层不仅用作氟源以形成富LiF的SEI，而且由于热分子的运动，也有助于在NCM阴极上形成富含LiF的CEI。它起到了保持阴极结构，抑制电解液侵蚀，防止颗粒破碎的作用。这种混合配置PH@HF人工界面增强了锂阳极在恶劣条件下的稳定性。作为设计人工界面的一种策略，优异的电化学性能为构建高稳定、高离子通量、多功能的锂离子电池阳极界面提供了新的思路。具有出色的电化学性能的设计人工界面策略可能为构建高稳定、高离子通量、多功能的锂离子电池阳极界面提供了新思路。
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