北理工黄佳琦、张学强＆深圳清华研究院陈筱薷Angew.：锂电池固态电解质界面膜（SEI）的快速修复

第一作者：李佳霖

通讯作者：张学强*，陈筱薷*，黄佳琦*

单位：北京理工大学，苏州大学，深圳清华大学研究院

金属锂电池是下一代高比能电池的重要体系，但其循环寿命深受锂金属负极/电解液界面不稳定性的制约，这主要源于金属锂负极表面固态电解质界面膜（SEI）的反复破裂与修复，导致大量非活性锂化合物的生成。以往的研究策略侧重于通过优化电解液来增加SEI中的无机组分占比，以提升其稳定性，但忽略了SEI修补过程中的效率问题：即如何引导分解反应朝着生成更多不溶性物质的方向进行，而非产生可溶性副产物，从而高效修补破损SEI。

近日，北京理工大学黄佳琦、张学强与深圳清华大学研究院陈筱薷、苏州大学程涛等合作，在《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Patching Solid Electrolyte Interphase via Modulating Anion Decomposition Reactions for Stable Lithium Metal Batteries”的研究论文。该论文通过调控负极过电位，促进FSI⁻阴离子的完全分解，显著减少了非活性锂化合物的生成，实现了破碎SEI的高效快速修复（图1）。在此基础上优化充放电协议，提出在锂沉积末段施加短时间的高电流密度以提高负极过电位的方法，非活性锂化合物的积累量降低62.2%，金属锂纽扣电池的循环寿命从177次提升至239次，并实现能量密度达411 Wh kg⁻¹的软包电池稳定循环202次。

研究结合理论模拟和实验表征，阐明不同过电位对FSI⁻分解反应的影响。首先通过从头算分子动力学模拟（AIMD），发现高负极过电位可显著改变FSI⁻的分解反应动力学及分解路径（图1a和1b）。在低过电位下，FSI⁻仅发生部分分解，伴随可溶性中间产物（如Li₃NSO₂）生成，修补SEI效率低；而在高过电位下，FSI⁻接受更多电子，分解更完全，生成更多不溶性无机物（如Li₂O、Li₂S），这些无机物可快速堆积成SEI，有效隔绝电解液与金属锂的进一步反应。为在实验中验证高过电位的效果，提出在锂沉积末段施加短时间（45 s）的高电流密度（4.0 mA cm⁻²）的方法，提高负极过电位并避免形成锂枝晶。XPS测试结果（图1c–f）表明，修补SEI中Li2O和Li₂S的含量明显高于原始SEI，且C原子比更低、O原子比更高，证明高过电位促进FSI⁻更彻底分解，生成更多有利于界面稳定的不溶性无机组分。

研究通过一系列模型实验和定量分析，评估了修补SEI对金属锂负极稳定性的提升作用。首先，观察到Li | Ni模型电池在高过电位（0.01 V vs. Li/Li⁺）下相较低过电位（0.1 V vs. Li/Li⁺）下的计时电流曲线的峰电流更高、衰减更快、积分电量更低（图3a），并且形成的SEI更厚（图3b和3c），证明了高过电位能促进SEI的快速形成和负极表面的高效钝化。具有修补SEI的Li | Cu电池的循环稳定性明显优于具有原始SEI的电池（图3d–f），库伦效率在300次循环内保持稳定（平均库伦效率93.6%），在500次循环内高于80%。定量核磁共振（qNMR）分析提供了关键证据（图3g）：修补SEI使非活性锂化合物积累量降低了62.2%，这是性能提升的根本原因。截面SEM图像（图3h和3i）也清晰显示，具有修补SEI的电池循环后负极表面的非活性锂层更薄（9.2 vs 20.2 μm）。

Li, J.-L.; Zhang, X.-Q.; Yu, P.-P.; Sun, S.-Y.; Yang, L.-K.; Wang, Y.-N.; Zheng, Z.; Yan, X.-Y.; Feng, W.-J.; Chen, X.; Cheng, T.; Huang, J.-Q., Patching Solid Electrolyte Interphase via Modulating Anion Decomposition Reactions for Stable Lithium Metal Batteries. Angew Chem Int Ed 2025, 64, e25130.

张学强，北京理工大学前沿交叉科学院副研究员，博士生导师，主要开展锂电池电极/电解液界面电化学研究，开发高比能金属锂电池、超长寿命锂离子电池等，研究工作以第一/通讯作者发表在Nat Energy、Sci Adv、J Am Chem Soc、Angew Chem、Adv Mater等期刊发表，h因子75。担任eScience、Chin Chem Lett青年编委。2021-2024年连续入选科睿唯安全球高被引科学家，获教育部自然科学一等奖（2/8）、侯德榜化工科技青年奖、北京市科技新星等。

陈筱薷，清华大学助理研究员，主要研究方向为长期致力于车网互动关键技术、高比能金属锂电池等。2018年、2023年分别获得清华大学化工系学术、博士学位，在Adv. Mater., Angew. Chem., Adv. Energy Mater.等发表SCI论文30余篇。担任住建部智慧低碳建筑工程技术创新中心总工程师、深圳清华大学研究院新能源技术创新中心常务副主任等，入选博新计划、华为天才少年等。

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，国家杰出青年基金获得者，九三学社社员。主要开展高比能电池能源化学研究。在Nat Energy、Angew Chem、J Am Chem Soc、Adv Mater、Adv Funct Mater、Sci Bull等期刊发表研究工作200余篇。担任中国颗粒学会理事会理事，中国化学会能源化学专委会委员，J Energy Chem期刊副主编。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2020年北京市杰出青年科学基金，2022年颗粒学会自然科学一等奖，2022年第十七届中国青年科技奖特别奖等。2018-2024年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。

李佳霖，北京理工大学2023级博士研究生，师从黄佳琦教授。主要研究方向为锂金属电池中锂负极/电解液界面稳定性。分别于2020年和2023年在厦门大学获得学士和硕士学位。目前以第一作者身份在Angew. Chem., Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文3篇。