韩晓刚教授、Stefan Adams副教授、沈飞副研究员、徐鸣教授，ESM：高弹超薄层动态调控准固态电解质/锂负极界面稳定性

第一作者：王凯铭，徐婧谨

通讯作者：韩晓刚*，Stefan Adams*，沈飞*，徐鸣*

单位：西安理工大学，西安交通大学，新加坡国立大学

聚偏氟乙烯（PVDF）基聚合物固态电解质因其高离子电导率和易加工性，是极具潜力的固态电池材料。然而，PVDF多孔结构会导致锂金属不均匀沉积，残留溶剂DMF还会引发副反应，严重影响界面稳定性。针对这一问题，本研究提出了一种基于热塑性聚氨酯（TPU）增强的弹性聚合物界面层（P-DOL），可动态调节锂沉积应力并阻隔副反应。实验证明，该策略能显著提升PVDF基固态电池的循环稳定性，Li|PVDF|NCM811电池在1C下循环800次仍保持136 mAh/g的容量。该工作为聚合物固态电解质的界面优化提供了新思路。

近日，来自西安理工大学的王凯铭、徐鸣与西安交通大学韩晓刚、沈飞以及新加坡国立大学的Stefan Adams合作，在国际权威期刊《Energy Storage Materials》上发表题为"Dynamic Interface Regulation in Solid-State Lithium-Metal Batteries by In Situ Polymerized Highly Elastic Ultrathin Layers"的研究论文。该研究创新性地提出通过原位聚合含热塑性聚氨酯的1,3-二氧戊环以构建高弹性界面层（TPU&P-DOL），有效解决了PVDF基准固态电解质在锂金属电池中的界面不稳定难题。

PVDF基固态电解质在制备过程中难以完全去除DMF溶剂，即使高温干燥后仍会残留约10wt.%的溶剂，其中部分以热稳定性极强的[Li(DMF)x]⁺配位形式存在。这些残留溶剂会与锂金属发生副反应，导致界面劣化。实验表明，裸露的PVDF与锂接触仅2小时就会发生明显反应，24小时后完全剥离。为解决这一问题，研究团队开发了TPU/P-DOL复合界面层，该层不仅能有效阻隔DMF溶剂与锂金属接触，还能通过TPU促进DOL单体的聚合，形成更致密的保护层。电化学测试证实，该界面层可显著抑制界面阻抗的增长，在极端条件下仍能维持界面稳定。虽然TPU的绝缘性会轻微增加界面阻抗，但其带来的界面保护效果远优于传统方法，为解决PVDF基电解质与锂金属的界面相容性问题提供了有效方案。

研究开发的TPU/P-DOL超薄界面层（<5μm）有效改善了PVDF基固态电解质的界面特性。该界面层不仅使PVDF表面结构更加致密，抑制了锂沉积不均匀现象，同时保持了高离子电导率。特别值得注意的是，界面层将锂离子迁移数大幅提升，显著优化了离子传输机制。在力学性能方面，TPU/P-DOL界面层使材料的拉伸强度提升，断裂伸长率提高，展现出优异的弹性恢复能力。电化学测试表明，该界面层能有效抑制PVDF在高压下的氧化分解，提升电池的高压稳定性。这些改进共同解决了PVDF基电解质在界面接触、离子传输和机械稳定性等方面的关键问题，为开发高性能固态电池提供了重要技术支持。

该界面层使电池展现出优异的倍率性能和循环稳定性，同时保持极高的库伦效率。软包电池测试验证了其良好的产业化应用前景，不仅循环性能突出，还通过了严格的安全性能测试。通过独特的力学-化学协同机制，界面层有效调控了锂金属沉积行为，形成平整致密的沉积形貌，完全抑制了枝晶的生成，大幅延长了对称电池的循环寿命。值得注意的是，这一技术不仅适用于固态电池体系，在传统液态电池中也展现出良好的普适性，能够有效引导均匀的锂沉积。这些重要进展为开发安全可靠、循环寿命长的固态锂金属电池提供了切实可行的技术方案。

该界面层首先通过其特有的弹性力学性能构建物理屏障，在锂沉积过程中均匀分散界面应力，有效抑制锂枝晶的垂直生长。其次，在化学层面，TPU组分与锂盐产生特异性相互作用，促进锂离子解离并优化传输路径，同时调控界面化学反应动力学，诱导形成富含LiF/Li3N的高稳定性SEI膜。更重要的是，TPU的三维网络结构通过空间限域作用，有效束缚电解液溶剂分子迁移，大幅降低界面副反应速率。这种"力学缓冲-化学调控-空间限域"的三重协同机制，不仅实现了界面的动态自适应调节，还建立了稳定的锂离子传输通道，使电池在长循环过程中保持优异的界面接触完整性和电化学稳定性，为开发高能量密度固态电池提供了可靠的界面工程解决方案。

韩晓刚教授：西安交通大学电气学院，教授，博士生导师。2000年毕业于山西大学化学系，获得材料化学学士学位，导师刘焕荣教授。2003年开始在中国科学技术大学攻读研究生，2009年毕业获得分析化学博士学位，导师邓兆祥教授。随后进入美国加州大学河滨分校殷亚东教授课题组做博士后，从事纳米材料合成与应用基础研究。2011年进入美国马里兰大学能源研究中心胡良兵教授课题组做博士后，研究方向转为新能源和新材料。2015年7月被聘为美国马里兰大学助理研究员，同年12月被西安交通大学聘为青年“拔尖”人才计划A类教授。目前，主要研究方向为先进电化学储能关键技术，石墨烯跨界应用。目前，已在国际著名期刊，包括Nature Materials，JACS，Adv. Mater. Nano Lett., ACS Nano 等发表研究论文50余篇；主持4项国家和省部级等项目。至今被引用16427 次，H因子58。

Stefan Adams副教授：1991 年毕业于德国萨尔州大学，获得物理化学（电化学 ）和结晶学专业博士学位。1992-1994 年在德国斯图加特马克斯-普朗克固体研究所任博士后 (与Joachim Maier教授合作）。1994-2000 年在德国哥廷根大学任博士后。2011 年至今，在新加坡国立大学材料科学与工程系任副教授，此外，还是以下机构的兼职研究员：新加坡国立大学先进二维材料中心，A*Star 材料研究与工程学院和新加坡太阳能研究所。至今被引用14665次，H因子65。

沈飞副研究员：西安交通大学电气学院，副研究员。南京大学博士，美国马里兰大学联合培养博士。主要研究方向为微纳材料设计与合成，储能材料与器件(全固态锂电池、锂/钠离子电池)的基础研究及应用探索。在Adv. Energy Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Inter.和Acc. Chem. Res.等国际著名学术期刊上发表论文30余篇，他引2000余次，H指数为17。主持/参与国家、省级自然科学基金和国家重点研发计划等课题多项。

徐鸣教授：西安理工大学理学院，教授，博士生导师。2002年参加工作，德国亥姆霍兹协会德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）访问学者，2018年至今担任应用物理系系主任。入选江苏省“双创计划”领军人才，陕西省中青年科技创新领军人才、陕西省青年科技新星、西安理工大学“杰出青年教师”等。目前为中国电工技术学会高级会员、电工技术学会青工委委员、电工技术学会等离子体及应用专委会委员、电工测试专委会委员、IEEE高级会员等。国家科学技术奖网评专家、教育部科技发展中心评审专家，省级科技奖/项目评审专家。主要研究方向包括超快光电技术、脉冲功率与放电等离子体、高功率固态开关器件与材料等。陕西高校青年创新团队（超快光电器件与材料）带头人。主持国家自然科学基金项目5项，省/厅级科研计划10余项，地方重点研发和企业合作课题3项，授权专利10余件、软著1件。

王凯铭：西安理工大学理学院，讲师；2020年硕士毕业于西安交通大学电气工程专业，2023-2024年在新加坡国立大学工程系材料科学与工程专业联合博士培养，2024年博士毕业于西安交通大学未来技术学院储能科学与工程系。致力于固态电池及其原位无损探测技术的研究，目前已在J. Mater. Chem. A，Energy Storage Mater.，J. Energy Chem.，J. Mater. Sci. Technol.，Adv. Sci.等期刊上以第一作者身份发表SCI论文。

徐婧谨：西安交通大学电气学院，硕士生；导师为韩晓刚教授。研究聚焦于固态聚合物电解质体系的开发与工程化应用，重点解决高能量密度固态电池中电解质-电极界面稳定性等关键科学问题。通过分子结构设计与界面工程策略，致力于提升聚合物电解质离子电导率、机械强度及电化学稳定性等性能。