耿建新教授，CEJ观点：一种共价连接的、富含LiF的固体电解质界面层赋予了锂金属电池优异的低温性能

第一作者：陈水银、孟晓冬

通讯作者：耿建新*

单位：天津工业大学

锂金属具有超高的理论比容量（3860 mA h g⁻¹）、最低的电化学电位（−3.04 V 相对于标准氢电极）和较小的密度（0.53 g cm⁻³）。此外，锂金属与低凝固点的醚基电解液相容性良好。因此，锂金属电池被认为是最具潜力的低温、高比能量储能器件之一。然而，在锂金属表面自然形成的固态电解质界面（SEI）层往往不稳定性、离子电导率低，这缺点限制了锂金属电池在低温场景中的应用。近年来，尽管已经提出了多种旨在构建稳定人工SEI层的策略，但这些方法不能充分满足锂金属负极在低温环境下的严苛要求，从而导致锂金属电池低温性能受限。因此，设计稳定的人工SEI层，提高电极的界面反应动力学显得尤为重要。本工作中，通过在锂金属表面原位形成一种共价连接的、富含LiF的人工SEI层来提高锂金属电池的低温性能。该项目的成果同样适应于其他类型的金属电池。

近日，来自天津工业大学的耿建新教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A covalently bonded, LiF-rich solid electrolyte interphase for Li meta batteries with superior low-temperature performance”的文章。该文章通过使用4,4,5,5,5-五氟戊醇（PFPO）处理锂箔，在锂箔表面原位构建了一种共价连接的、富含氟化锂（LiF）的人工SEI（LiF-PO SEI）层。如图1a所示，自然形成的SEI层相比，该人工SEI层均匀致密，具有优异的机械性能和高离子导电率，从而有效地抑制了锂枝晶的形成。如图1（b-c）所示，基于LiF-PO SEI层组装的锂硫电池展现出优异的低温性能。

作者使用单侧浸泡手段，通过锂金属与高氟含量的PFPO反应构筑了有机/无机杂化的富含LiF的LiF-PO SEI层。LiF-PO SEI层具有三个优点：1）高浓度的LiF可以有效地提高SEI层的机械强度、离子电导率以及耐低温性能；2）LiO共价键增强了SEI层与锂基底的界面亲和性；3）原位交联的烷基赋予了SEI层柔性。相较于自然形成的SEI层，LiF-PO SEI层具更高的离子电导率，并且，随着温度的降低，二者之间的差距更明显。例如：在50 C下，LiF-PO SEI层的离子电导率为1.7 × 10⁻⁵ S cm⁻¹，是自然形成的SEI层的离子电导率（5.4 × 10⁻⁵ S cm⁻¹）的310倍。这证明LiF-PO SEI层能有效提地升低温条件下锂离子的传输速率，进而实现更快的负极界面动力学。

耿建新教授简介：博士，国家高层次人才特殊支持计划领军人才入选者，天津工业大学教授、博士生导师，目前任材料科学与工程学院院长。2004年，毕业于中国科学院长春应用化学研究所，高分子化学与物理专业。主要从事聚合物材料、碳材料和纳米能源材料等领域的研究，在碳纳米材料表面修饰、碳纳米材料/聚合物复合材料设计与合成、电化学储能技术等方面取得了多项创新研究成果。获得中科院“百人计划”项目资助并在终期评估中被评为优秀；入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、江苏省“双创计划”等人才计划。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等具有重要影响力的期刊上发表学术论文110余篇。以第一发明人申请中国发明专利16项（10项获得授权）。撰写学术专著1章。