陈人杰教授、罗冲副教授 ACS Nano：层状限域界面解耦锂负极复杂沉积行为

高理论比容量、低电化学电位的锂金属负极为高比能电池的合理设计提供了理想方案。然而活性锂和电解质的副反应以及锂枝晶的生长显著缩短了锂金属电池的循环寿命。在负极/电解质界面处形成的天然固体电解质界面（SEI）对抑制电解质持续分解、维持电池循环寿命具有关键作用。然而，天然SEI缓慢的锂离子脱溶动力学和不充分的锂盐解离加剧了锂金属界面处的浓度极化，造成不均匀的锂沉积行为和枝晶的生长。此外，SEI差的机械稳定性导致在枝晶生长过程中持续的破碎和再生，加剧了活性锂与电解质的持续消耗。因此，建立能够在保证机械稳定性的同时有效调节锂离子去溶剂化、传递和沉积行为的SEI设计体系对于高比能锂金属电池推动的实际应用具有至关重要的意义。

近日，北京理工大学陈人杰、罗冲课题组等人在锂金属表面自组装构筑了具有2D定向通道和限域强化介电环境的新型层状界面。这种具有限域调控机制的层状界面实现了对锂金属界面复杂环境的解耦与调控：（1）层状界面可调的层间距实现对电解液溶剂分子选择性筛分，以促进去溶剂化过程；（2）层间限域效应诱导聚合物构象转变以强化介电环境，实现锂盐的快速解离；（3）水平向纳米通道的限域强化传质机制实现锂的快速均匀沉积行为。基于此, 具有新型层状界面的锂金属负极实现了在2 mA cm⁻²电流密度下超2000小时的稳定循环，并在磷酸铁锂和NCM811电池体系下均表现出优异的循环稳定性。

通过组装得到具有层状定向通道的G-PVTC在掠入射广角X射线散射（GIWAXS）中展示出高度取向性。G-PVTC层间距可实现对锂离子溶剂化鞘的有效筛分，促进了锂沉积过程中的去溶剂化过程。此外，限域通道的构筑有效增强了聚合物链的极化强度和介电常数，层状界面内增强的介电环境（介电常数~68）可有效促进LiTFSI在去溶剂化过程后的解离行为。PVTC在层状通道限域下展示出增强的TTTT构象，通过差分电荷密度揭示了更强的电荷转移，促进LiTFSI的解离。

DFT计算阐明了PVTC在限域通道下构象转变的机制。GO的丰富官能团对H表现出更强的吸附能，从而促使PVTC 中的−CH2和−CF2受通道强限域效应呈现平行排列，最终PVTC从TGTG转化为TTTT构象。高电负性的TTTT构象显著降低了锂离子的传递能垒，增强了锂离子传输动力学。这些结果表明在GO限域通道对PVTC构象的有效调控促进了锂离子的快速传递行为。

在2 mA cm^–2，1 mAh cm^–2条件下G-PVTC@Li实现了2000小时的稳定循环，并可维持5.0 mA cm^–2 的高临界电流密度，显著提升了锂负极的可逆性。COMSOL模拟G-PVTC的水平向分子通道可诱导锂离子均匀分布，促使锂离子均匀沉积。原位光镜展现了G-PVTC诱导的均质锂沉积行为，并通过AFM测试证实了其光滑的表面和良好的机械稳定性。G-PVTC在顶层产生有机成分，而在内部形成富无机组分，有效阻止了锂金属表面的阴离子积累和分解。这些结果表明，锂沉积过程中层状 G-PVTC 界面的具有优异的结构稳定性，保证了长期电化学循环过程中稳定的界面环境。

通过开发具有限域调控介电环境的新型层状界面，有效应对了锂金属电池中天然SEI相关的挑战。G-PVTC层状界面有效地解耦了锂离子的脱溶剂化和沉积过程。可调的层间距选择性地筛选溶剂分子，而约束增强的介电环境调节聚合物链构象，加速锂盐解离并促进快速锂传输和均匀沉积。这种创新的界面结构表现出良好的机械稳定性和优秀的电池性能。层状界面的限域调控机制有效优化了锂的去溶剂化和沉积过程，为锂金属电池的实际应用提供了有前途的方法。

罗冲 北京理工大学材料学院，副教授，博士生导师。主要研究方向为二维功能材料的组装与加工、高比能锂电池等。在Adv. Mater., Angew., Chem, Adv. Energy Mater., ACS Nano, 等发布二十余篇高水平论文。主持国自然面上、青年等项目，获 Carbon 杂志授予的碳材料科学领域杰出博士论文奖（Carbon Journal Prize 2020），并担任 Carbon 杂志编委，以及京博科技奖-化学化工与材料京博优秀博士论文（优秀奖）。

陈人杰 北京理工大学教授，博士生导师。入选教育部长江学者特聘教授，英国皇家化学学会会士、中国工程前沿杰出青年学者等。主要从事多电子高比能二次电池新体系及关键材料、新型离子液体及功能复合电解质材料、特种电源用新型薄膜材料与结构器件、绿色二次电池资源化再生、智能电池及信息能源融合交叉技术等方面的教学和科研工作。