高雪洁副教授、杨晓飞研究员， AFM观点：阴离子调控溶剂化结构优化固态锂金属电池SEI层- 大数跨境

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高雪洁副教授、杨晓飞研究员， AFM观点：阴离子调控溶剂化结构优化固态锂金属电池SEI层

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2025-07-14

导读：高雪洁副教授、杨晓飞研究员， Advanced Functional Materials观点：阴离子调控溶剂化结构优化固态锂金属电池SEI层

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文章信息

阴离子调控溶剂化结构优化固态锂金属电池SEI层

第一作者：赵昌湧，田迎亢

通讯作者：高雪洁*，杨晓飞*

单位：大连工业大学，中国科学院化学物理研究所

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研究背景

固态聚合物电解质(SPEs)因其克服了液体电解质的限制，包括泄漏和易燃性。较高的机械强度抑制了锂枝晶的生长，提高了电池的安全性和循环稳定性等优点，是下一代高安全锂金属电池的理想选择。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)基SPEs凭借优异的机械性能和本征安全性备受关注。目前，PVDF基固态电解质(SSE)中有限的盐离解效率和不稳定的(Li(DMF)_x)⁺溶剂化结构显著阻碍了高速离子传输和电极-电解质界面稳定性。然而，开发将高离子电导率(>1 mS cm^-1)与稳定的电极-电解质界面相结合的SSE仍然是一项重大的科学挑战。

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文章简介

近日，来自大连工业大学的高雪洁副教授与大连化学物理研究所的杨晓飞教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Anion-Modulated Solvated Structure for All-Solid-State Lithium Metal Batteries with Inorganic-Rich SEI”的观点文章。该观点文章提出了一种使用苯磺酰化壳聚糖对PVDF电解质进行阴离子调制的策略。通过利用高电荷密度结构单元与锂盐阴离子协同作用来优化界面稳定性和离子传输的战略性设计。

图1. 聚合物电解质的固态电池在不同界面处的不稳定机理，以及降低界面不稳定性的解决方案示意图。

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本文要点

图 2. (a) 各种 LiFSI 的 HOMO 能量。不同阴离子的 CEI 形成过程示意图，(b) 不稳定的 LiFSI 会在阴极-电解质界面发生剧烈氧化，形成不利的 CEI，导致持续的电解质分解。(c) LiFSI 的适度氧化能力会导致适当的氧化，形成阴离子衍生的 CEI，能够有效地钝化界面。(d) 使用 PVDF-SCS 电解质循环后 NCM523 电极的扫描电镜。(e）使用 PVDF-CS 电解电解质循环后 NCM523 电极的扫描电镜。(f) PVDF-CS、(g) PVDF-SCS 的 NCM523 CEI 薄膜的 HRTEM 图像。采用不同电解质的 CEI 的 XPS 光谱，(h,i) F 1s；(j,k) O 1s。

要点一：正极/聚合物固态电解质界面

SCS 可以通过 N-O 或 N-F 相互作用增加 FSI- 的最高占据分子轨道 (HOMO) 能级。与初始 LiFSI 相比，由 N-O 和 N-F 相互作用引起的 FSI- 的 HOMO 能级变化分别为 +2.128 eV 和 +1.949 eV，导致更容易氧化。计算出的 HOMO 能级进一步补充了氧化稳定性。如图 2b-c 所示，展示了不同阴离子形成 CEI 过程的示意图。图 2b 说明了不稳定的 LiFSI 在阴极-电解质界面上剧烈氧化分解，形成不利的 CEI成分，同时导致其他溶剂分子的过度分解，产生非无机 CEI 组分的有机 CEI 组分。

图 3. PVDF-CS 电解质和 PVDF-SCS 电解质的电化学性能。(a) 1 mV s^-1 扫描速率下锂离子电池的 LSV 曲线。(b) 电解质的能量图。(c) 电流密度为 0.1 mA cm^-2和容量为 0.1 mAh cm^-2 的锂电池的电静态循环曲线。(d, e) LMB 在镀锂和剥离过程中三电极 EIS 评估的 DRT 转变分析。(f、g）锂金属电极与 PVDF-SCS 电解质界面的 XPS 光谱。(h, i) 锂金属电极与 PVDF-CS 电解质界面的 XPS 光谱。(j) PVDF-SCS 电解质下锂离子阳极的 TOF-SIMS图。(k) 采用 PVDF-CS 电解质的锂阳极的 TOF-SIMS图。

要点二：金属锂/聚合物固态电解质界面

金属锂与常见的聚合物固态电解质在循环时均会有副反应发生，导致电池的容量下降以及寿命衰减，然而其中的机理仍有待研究。搭配PVDF-SCS电解质的SEI 层主要由 LiF、Li₃N 和 Li₂S 等无机材料组成。这些无机组分的形成是通过双氟磺酰亚胺阴离子 (FSI⁻) 的选择性分解实现的，其高离子电导率 (LiF： ~10⁻⁷ S cm⁻¹， Li₃N： ~10⁻³ S cm⁻¹) 和本征低电子电导率被发现有助于致密钝化层的形成，从而为 SCS 电解质提供以下优势。在无机 SEI 中形成快速离子导体提供了高效的 Li⁺ 传输通道，使 SCS 电解质具有较高的室温离子电导率，而致密的无机层抑制了阴离子(例如 FSI-)的迁移，促进了 Li⁺ 的迁移，Li⁺ 可用作 PVDF-SCS 电解质中的离子导体。因此，调控生成高质量的SEI也是有效解决手段之一。

要点三：前瞻

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文章链接

Anion-Modulated Solvated Structure for All-Solid-State Lithium Metal Batteries with Inorganic-Rich SEI

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202512870

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通讯作者简介

高雪洁，女，副教授，博士生导师。入选中国科协青年托举工程人才（获得科协资助）、辽宁省青年拔尖人才、大连市高层次引进人才青年才俊(海外)等。2021年于加拿大西安大略大学(University of Western Ontario)获得博士学位，师承孙学良院士和T-K Sham院士。同年加入大连工业大学孙润仓教授课题组（国家杰出青年基金及教育部“长江学者奖励计划”特聘教授），主要研究领域为生物质基材料在固态锂电池的应用研究。作为项目负责人主持国家自然科学基金、中国科协、辽宁省科技厅、组织部等项目十余项。第一作者或通讯作者文章包括Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Angewandte chemie、Energy Storage Materials、Advanced Functional Materials、Materials Today等高影响力期刊上论文近40篇。担任多个国际期刊青年编委，多次应邀在国际学术会议上作邀请报告。

杨晓飞，男，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，入选中国科学院专项人才计划（择优支持）、辽宁省优秀青年、辽宁省“兴辽英才”青年拔尖人才、大连市高端人才、张大煜青年学者、2022~2024连续三年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家。研究方向为固态电池关键材料合成、界面设计及器件制备。主持中国科学院B类先导专项、国家自然科学基金面上基金、GF科技创新特区“科学白洞”项目、辽宁省重大专项等项目的支持，累计经费近3000万元。近五年来参编中文专著1部、发表SCI学术论文110余篇，他引超过9000次，个人H-index 51。其中第一作者和通讯作者文章包括Energy Environ. Sci. ，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater. （1篇），Adv. Energy Mater. , Adv. Funct. Mater. , Energy Storage Mater. ，5篇论文入选汤森路透高被引论文。申报专利45件，授权26件。担任Journal of Energy Chemistry，Carbon Energy，eScience，Ecomat，等杂志青年编委和客座编辑。

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第一作者介绍

赵昌湧，男，大连工业大学2023级硕士研究生，硕士期间研究方向为生物质基固态电池的设计与开发。硕士期间发表论文7篇，申请专利3件，第一作者（包含共一）2篇。

田迎亢，男，大连工业大学2022级硕士研究生，硕士期间研究方向为生物质基固态电池的设计与开发。硕士期间发表论文3篇，申请专利2件。

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课题组介绍

生物质能源与材料科研团队成立于2019年，团队负责人为孙润仓教授。团队围绕学科国际前沿和我国生物质高值化利用工业的发展需求，解决生物质转化为材料、化学品和新能源工业领域的深层次科学问题及重大工程关键技术。团队依托辽宁省生物质化学与材料重点实验室及辽宁省木质纤维生物质精炼协同创新中心，拥有轻工技术与工程硕士、博士点和博士后流动站。团队现有骨干青年教师7人；博士硕士研究生30余人。目前中心拥有实验室面积~1000 m²，拥有核磁共振波谱仪、万能电子拉伸机、GC、GC-MS、HPLC、光催化在线分析系统等大型分析检测设备20余台，可满足科研基本需求。

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课题组负责人简介

孙润仓教授，长江学者奖励计划特聘教授、杰出青年科学基金获得者，973项目首席科学家，美国化学会“安塞姆•佩恩奖”获得者（纤维素与可再生资源材料领域的国际最高奖，全球每年1名），国务院学位委员会轻工技术与工程学科评议组成员，教育部科学技术委员会化学化工学部委员，英国皇家化学会会士（Fellow）。从事木质纤维生物质三大组分清洁高效分离及转化为新材料、新能源及化学品方面的研究。发表中科院一区论文490篇，IF大于10的235篇，发表EI收录论文60余篇，论文被正面引用5.8万余次 (Google Scholar H-因子115, Web of Science 他引4万余次，H因子96)，国际会议特邀、大会及主题报告60余次。主编Cereal Straw as a Resource for Sustainable Biomaterials and Biofuels: Chemistry: Extractives, Lignins, Hemicelluloses and Cellulose专著1部 (2010, Elsevier)，同时还被国外专家邀请参与编写Hemicelluloses: Chemistry and Technology等英文专著36部和英国科学分离百科全书1部，授权发明专利154件。2014-2022年连续8年入选Elsevier中国高被引学者榜单及2018-2022年连续5年入选科睿唯安全球高被引科学家榜单，入选全球顶尖前10万科学家榜单(全球排名1904位，2022-01)。研究成果先后获国家技术发明二等奖3项、教育部自然科学、技术发明、科技进步一等奖6项，陕西省科技进步一等奖1项, 中国工程院第十一届光华工程科技奖等奖励，中国轻工业联合会技术发明一等奖3项及中国产学研合作创新奖。2019年度全球科学影响力排行榜中国Top200 第64位及全球终身科学影响力排行榜(1960-2019)中国Top200 第116位。培养研究生及博士后100余名，其中全国优秀博士论文获得者3人、提名2人、教育部学术新人奖2人、美国化学会研究生创新奖1人。培养国家杰青2人、“长江学者”1人，国家万人计划（科技创新领军人才）5人、中组部青年拔尖人才6人、“青年长江”及优青4人、中国科协青年人才托举工程2人、教育部新世纪优秀人才9人等。E-mail: rcsun3@dlpu.edu.cn

高雪洁，副教授，博士生导师。入选中国科协青年托举工程人才、辽宁省青年拔尖人才、大连市高层次引进人才青年才俊-海外、大连市青年科技之星等，主持中国科协、国家自然科学基金、辽宁省省委组织部、辽宁省科技厅以及教育厅、大连市科技局、及制浆造纸国家工程实验室等项目。2021年于加拿大西安大略大学（University of Western Ontario）获得博士学位（导师：孙学良院士和T-K Sham 院士）。主要研究领域为固态锂电池，3D打印技术，同步辐射表征技术，以及生物质材料在电池领域的应用。近几年在国际知名期刊上发表高水平SCI论文近50篇，其中第一作者或通讯作者文章包括《Advanced Materials》（IF: 27.4）、《Advanced Energy Materials》（IF: 24.4）、《Materials Today》（IF: 21.1）、《Advanced Functional Materials》（IF: 18.5）、《Carbon Energy》（IF: 19.5）、《Energy Storage Materials》（IF: 18.9）、《Angewandte Chemie》（IF: 16.6）等高影响力期刊上发表论文近40篇。担任eScience、Renewables、Batteries等多个国际期刊青年编委，入选中国造纸学会高级会员，获得2024年度功能材料与结构力学国际研究奖“女性科学家奖”，多次应邀在国际学术会议上作邀请报告。

E-mail: gaoxuejie@dlpu.edu.cn