近日，北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授课题组在定量研究高可逆锂金属电池界面动态演化规律方面取得了重要进展。该研究成果以《Quantification of the Dynamic Interface Evolution in High-Efficiency Working Li Metal Batteries》为题在线发表在化学类顶级国际期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（《德国应用化学》，影响因子15.336），并获评阅人高度评价，入选Very Important Paper。本文的通讯作者为北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授，第一作者为北京理工大学材料学院/前沿交叉院博士研究生丁俊凡。
金属锂具有极高的理论比容量（3860mAh g^?1）和最负的电化学电位（?3.040 V vs. the standard hydrogen electrode），是下一代高能量密度可充电电池最有前景的负极材料之一。然而，金属锂较差的可逆性是阻碍高比能锂金属电池走向实用化进程的严峻问题。在循环过程中，非活性锂在电极/电解液界面处大量产生和堆积，阻碍电极表面的锂离子迁移和电荷转移反应，导致快速的性能衰减和严重的安全隐患。
北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授团队在最新的研究工作中定量区分了动态循环过程中非活性锂的组成部分，揭示了循环中主导非活性锂的组成真正因素，并进一步解析了锂损失、电解质化学和固态电解质界面(SEI)性质之间的内在关联。

图1 定量区分不同电解质中来源于SEI Li⁺/dead Li⁰的容量损失
在传统的认知之上，本研究表明由于循环过程中锂电极/电解液界面经历持续的动态演化过程，因此非活性锂损失的主导形式实际上取决于dead Li⁰和SEI Li⁺的相对增长速率(k_Li0/k_{SEI Li+})。当采用典型的醚类/酯类柔性成膜添加剂调控原有富无机产物SEI之后，非活性锂表现出不同的增长行为。醚类成膜剂1,3-二氧戊环(DOL) 被发现有助于同时减小SEI Li⁺和dead Li⁰的增长速率。

图2 不同电解质中SEI的组成和结构
不同的SEI化学/结构特性直接影响锂沉积/脱除行为和SEI的动态重构过程，进而产生不同dead Li⁰和SEI Li⁺增长速率。系统性的研究表明，1,3-二氧环烷(DOL)介导了均匀有序层状SEI的产生，有助于提高锂金属沉积的均匀性以及SEI的循环稳定性，同时降低SEI Li⁺和dead Li⁰的增长速率。

图3 不同的SEI Li⁺和dead Li⁰增长速率(k_{SEI Li+}, k_Li0)与金属锂负极的界面演化相关性的示意图。蓝色区域的非活性锂为死锂控制，其中k_Li0/k_{SEI Li+}>1；红色区域的非活性锂为SEI Li⁺控制，其中k_Li0/k_{SEI Li+}<1。
最终，作者通过示意图阐明了SEI结构、dead Li⁰/SEI Li⁺增长速率和界面动态演化进程之间的相关性，定量解析了锂金属负极的界面动态演化过程，为合理设计制造下一代高能量密度电池的高可逆性锂负极提供了依据。
论文详情：
Non-Solvating and Low-Dielectricity Cosolvent for Anion-Derived Solid Electrolyte Interphases in Lithium Metal Batteries
Jun-Fan Ding, Rui Xu, Xia-Xia M, Ye Xiao, Yu-Xing Yao, Chong Yan, Jia-Qi Huang*
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115602


附作者简介：
黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。发表SCI论文200余篇，其中60余篇为ESI高被引论文，h因子89。担任中国颗粒学会青年理事会理事，J. Energy Chem.、InfoMat编委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年编委。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖等；2018-2021年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。