NUS林志群教授、西安交大丁书江教授《JACS》：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

近日，西安交通大学大学丁书江教授和新加坡国立大学林志群教授提出了一种利用动态超分子弹性体（DSE）界面层的策略，该界面层能够被锂金属还原，自发形成强的Li+离子–偶极作用，从而增强锂金属负极与碳酸酯电解质的界面稳定性。DSE结构中的软相通过松弛配位的Li⁺–O相互作用实现快速的Li⁺传输，而富含负电性亲锂位点的硬相促使具有快离子导电固体的SEI组分形成，包括Li₃N和Li₂S，诱导Li⁺均匀沉积，抑制锂枝晶生长。由软相和硬相组成的强韧DSE网络保护锂金属负极免受电解质腐蚀，并自适应循环过程中的体积变化。因此，覆有DSE界面层的对称Li||Li电池在不同电流密度及面容量下均能进行长期稳定运行。更重要的是，由DSE/Li负极与LiFePO₄（LFP）或高压LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）组成的全电池，即使在有限锂负极（40 μm）和超高负载NMC811正极（21.5 mg cm^–2）的严苛条件下，均表现出高效的锂沉积和循环稳定性。该研究以题为“Li⁺ Ion-Dipole Interaction-Enabled a Dynamic Supramolecular Elastomer Interface Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes”发表在国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上。本文第一作者为西安交通大学陈晶博士（现为新加坡国立大学博士后）。

【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。

图1 DSE/Li负极的制备与表征

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。

图2 DSE界面层稳定锂负极的机理分析

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。

图3基于DSE/Li负极的全电池电化学循环性能

总结：作者开发了一种强韧的动态超分子弹性体（DSE）人工SEI保护层，它能够与锂金属形成有效的Li⁺离子—偶极作用，诱导快离子导体SEI组分的形成，包括Li₂S和Li₃N，有利于Li⁺在界面处的均匀扩散，促进Li的均匀沉积，抑制锂枝晶的生长，从而提升锂金属电池在碳酸酯电解质中的电化学稳定性。凭借低成本的材料和简单的制备方法，本研究中开发的DSE保护层为锂金属电池的实用化提供了一条颇具前景的及解决方案。