天津工业大学，Small：通过原位构筑有机/无机杂化SEI层来有效抑制锂金属负极枝晶生长、显著提高电池倍率性能和循环稳定性

第一作者：韩镫极

通讯作者：王中丽*，耿建新*

单位：天津工业大学

高能量密度的锂金属电池（LMBs）在便携式电子设备、电动汽车等多个领域具有广阔的应用前景。然而，锂金属的反应活性高、能与大多数有机电解液发生反应，从而在锂负极表面形成一层天然固态电解质界面（SEI）层。天然SEI层结构不稳定，在锂沉积/剥离循环过程中受负极体积膨胀的影响而产生裂缝，导致锂电极表面电场的不均匀分布，进而导致锂枝晶的产生、引发电池的安全问题。此外，随着天然SEI层的破裂，大量新鲜的锂会暴露在电解液中，产生新的SEI层，从而造成锂金属和电解液的持续损失，导致电池库仑效率的降低和容量的快速衰减。以上这些问题严重影响了电池的实际使用。为此，研究者们采取了多种策略来解决上述问题，主要集中在设计三维框架和构建人工SEI层两个方面。其中，直接在锂金属表面构建人工SEI层是保护锂金属负极最有效的方法。构建高质量人工SEI层对提高锂金属负极的结构稳定性和电化学性能起着至关重要的作用。

近日，天津工业大学硕士研究生韩镫极同学，在国际知名期刊Small上发表题为“An In Situ Generated Organic/Inorganic Hybrid SEI Layer Enables Li Metal Anodes with Dendrite Suppression Ability, High-Rate Capability, and Long-Life Stability”的研究论文。该论文是在天津工业大学的耿建新教授、王中丽副教授的指导下完成的。论文作者利用1-(6-溴己酰基)-3-丁基脲（BHBU）与锂金属表面的反应，原位构建了一种有机/无机杂化SEI（LiBr-HBU）层，该SEI层具有均匀致密的结构、优异的电解液浸润性以及良好的空气稳定性，并能够牢固地附着在锂箔上。由于双酰胺的存在，LiBr-HBU SEI 层的 Li⁺电导率达到 2.75×10⁻⁴ S cm⁻¹，比天然 SEI 层的电导率高出近50倍。与包含天然SEI层的电池相比，含有LiBr-HBU SEI层的Li//Li对称电池的循环稳定性得到显著提高，可以在15 mA cm⁻² 的条件下，稳定循环1333小时（10000圈）。此外，含有LiBr-HBU SEI层的锂硫电池在倍率性能和循环稳定性方面也表现出了突出的优势，例如，在10 C下的比容量为548 mAh g⁻¹；在0.5 C下循环500圈后的比容量为513 mAh g⁻¹。由于所得人工SEI层既提升了锂负极的电化学性能，还赋予了锂金属在空气中的稳定性，所以，该方法也为锂金属负极的商业化加工提供了新的思路。

通过新型有机分子BHBU与锂金属表面的反应，原位构筑了有机/无机杂化SEI（LiBr-HBU）层（图1a），该SEI层中有机/无机成分共存的特点和双酰胺极性基团的存在使其具有“刚柔并济”的结构特性、均匀致密的薄膜形貌以及与锂箔紧密结合的能力。同时，这类SEI层也表现出优异的空气稳定性和高的Li+电导率（2.75×10⁻⁴ S cm⁻¹）（图1b, c）。

与含有天然SEI层的Li//Li对称电池相比，含有LiBr-HBU SEI层的对称电池在电化学性能上表现更佳，尤其是在倍率性能和循环稳定性方面。例如，含有LiBr-HBU SEI层的Li//Li对称电池，即使在15 mA cm⁻²的超高电流密度下，其极化电压也仅为127 mV（图1d）。此外，这类电池也首次实现了在15 mA cm²下稳定循环1333小时（10000圈）的性能（图1e）。

含有LiBr-HBU SEI层的LiS电池在10 C高倍率下比容量为548 mAh g⁻¹（图1f），和文献中含有其他类型人工SEI层的LiS电池相比，本文测得的倍率性能处于最高水平。

An In Situ Generated Organic/Inorganic Hybrid SEI Layer Enables Li Metal Anodes with Dendrite Suppression Ability, High-Rate Capability, and Long-Life Stability

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。

王中丽副教授简介：博士，副教授，硕士生导师。2022年博士毕业于天津大学，同年7月入职天津工业大学材料科学与工程学院。主要从事有机/高分子功能材料、电化学储能技术等领域的研究工作。在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Small等具有重要影响力的期刊上发表研究论文近30篇。

韩镫极，硕士，2024年毕业于天津工业大学材料科学与工程学院，材料科学与工程专业。主要从事锂金属负极改性方面的研究工作。发表SCI论文3篇，以第一作者在Small期刊发表研究论文1篇。