近日，南京大学现代工学院提出了在锂金属上利用多环芳烃（PAHs）原位构建π-π堆积的有机-无机杂化层作为人工固态电解质界面（SEI）膜策略。
这项工作通过引入了烷基链以增加 PAH的溶解度，并最终通过与锂金属的原位反应打断烷基链，原位生成了平行π-π堆叠的二羟基蒽酮紫（DHV，一种多环芳烃）分子构筑的人工SEI膜, 从而得到 DHV 保护的锂金属负极。 使用傅里叶变换红外光谱、气相色谱、XPS深剖等分析手段对反应机理和SEI膜构成进行了深入研究。原位形成的杂化的人工SEI膜可以为锂金属提供机械支撑并抑制锂枝晶的形成，防止了电解质的分解，显著改善了锂金属负极的库伦效率和循环性能。使用DHV保护的锂金属的对称电池可以在 4 mA cm-2和4 mAh cm-2下循环 1000 小时，显示出优异的循环性能和2000 mAh cm-2的高容量累积。通过与高负载 LiFePO4正极（2.8 mAh cm-2）和低 N/P =2 的DHV保护的锂金属（30μm）匹配的全电池，可实现 300 圈的长循环性能，每圈约0.03%的较低容量衰减率和 99.8% 的高库伦效率。 此项工作为在分子尺度上使用其他功能化的多环芳烃，应用于锂金属负极形成稳定的有机-无机杂化人工SEI膜，提供了一种启示。原位合成人工SEI策略也适应于实际情况下锂离子电池的工业化应用，并为解决锂和其他金属负极枝晶问题提供契机。
图 1. 锂沉积过程和 SEI膜形成示意图：(a) PAHs 和混合 SEI膜的形成过程示意图；(b)空白组，锂金属在铜箔上枝晶生长的示意图；(c) VO79和Li反应机理
图 2. 锂负极表面的形态分析。 (a, c) 不同电解质中锂沉积形态的俯视和 (b, d) 横截面 SEM 图像：(a, b) 裸锂，(d, e) DHV-Li
图 3. 裸锂和 DHV-Li 电极的电化学特性。(a) 在 0.5 mA cm-2和 1 mAh cm-2的不同电解液中充放电过程中锂的库伦效率，通过充电至 1.0 V vs Li+/Li 的截止电压来电沉积锂；(b) 在 0.5 到 5 mA cm-2的不同电流密度下的倍率性能；(c) EIS图谱；(d) 4 mA cm-2 和4 mAh cm-2；(e) 0℃5 mA cm-2 和1 mAh cm-2和 (f, g) 0.5 mA cm-2 和 1 mAh cm-2处的时间-电压曲线
以上成果以In Situ Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons as an Artificial Hybrid Layer for Lithium Metal Anodes为题发表在国际期刊Nano Letter，https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c0362 。论文的第一作者为南京大学现代工程与应用科学学院2020级博士生昌绍忠，通讯作者为南京大学现代工程与应用科学学院的张会刚、李爱东教授和美国阿贡国家实验室陆俊、Khalil Amine教授。
本工作得到了国家自然科学基金(52073142, 51721001, 22075131，51802150)、江苏省自然科学基金(BK20201252)等项目的支持。同时，本工作得到南京大学化学化工学院成义祥教授和现代工学院胡勇教授的帮助。
