张喜田教授、金奇博士、张天择博士ESM观点：通过卤化 MXene 调节双电层内的溶剂化行为以用于可靠的锂金属电池

第一作者：金奇，张天择

通讯作者：金奇*，张喜田*

单位：哈尔滨师范大学，电子科技大学、北京理工大学

随着对高比能电池需求的不断增长，金属锂作为理想的负极材料，其面临的枝晶生长问题成为研究热点。固体电解质界面相（SEI）/电解质界面对于决定锂的电镀/剥离行为至关重要。锂离子在本体电解质中的溶剂化结构已被充分了解，但SEI组分如何影响锂离子溶剂化结构以及SEI/电解质界面处的去溶剂化能垒的机制仍不清楚。在此，合成了具有单卤化末端（-Cl、-Br、-I）的Ti₃C₂MXene 并将其用作模型体系，因为它们的表面末端会诱导形成富含双卤化物的SEI（LiF和LiCl/LiBr/LiI）。我们研究了不同卤化锂与锂离子之间的相互作用强度对锂离子配位数以及内亥姆霍兹平面（IHP）内锂离子分布的影响。在LiBr界面相的IHP附近形成了具有低溶剂配位数的溶剂化鞘，改善了Li沉积的动力学。我们的研究为锂金属电池中 SEI 组分的设计提供了关键原则。

近日，来自哈尔滨师范大学张喜田教授、金奇博士与电子科技大学张天择博士合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Tuning Solvation Behavior within Electric Double Layer via Halogenated MXene for Reliable Lithium Metal Batteries”的观点文章。该观点文章分析了SEI膜中不同卤化组分与溶剂化锂离子的相互作用以及对锂电极IHP内锂离子溶剂化结构以及数量的影响规律，并研究了其对锂沉积/剥离动力学的影响。

通过将Ti₃AlC₂与熔融无机盐反应，成功合成具有单卤化末端（-Cl、-Br、-I）的Ti₃C₂ MXene材料。利用 XRD、SEM、TEM、AFM 和 XPS 等多种手段对其进行表征。结果显示其具有单的微观结构，Ti、C 和卤素均匀分布，卤素与Ti之间为共价键合。同时，不同卤化末端对材料导电性的影响不明显，但对锂离子迁移能垒的影响较大。

通过MD模拟和DFT计算研究卤化锂（LiF、LiCl、LiBr和LiI）作为SEI组分对SEI/电解质界面处Li⁺溶剂化结构的影响。发现Li⁺与LiBr和LiI表面距离更近，在LiBr和 LiI体系中观察到Li⁺的部分去溶剂化行为。其中，LiBr表面的Li⁺具有最低的溶剂配位数，更易去溶剂化。不同卤化锂与 Li⁺的相互作用强度影响Li⁺在IHP内的配位数和分布，其机制与卤化锂的电子转移特性有关。

由于“电化学剪刀”效应，不同卤素末端的Ti₃C₂诱导形成富含不同卤化锂的SEI。这些SEI组分影响Li⁺在负极-电解质界面的去溶剂化以及在SEI中的扩散，从而影响锂沉积动力学。例如，富含LiF和LiBr的SEI具有高Li⁺导电性，可降低Li⁺在SEI中的扩散势垒，同时可以加速Li⁺的去溶剂化过程，进而促进Li的均匀沉积。

Li在CF/Ti₃C₂Br₂骨架上沉积/剥离的库仑效率高达99.45%。基于Li-CF/Ti₃C₂Br₂电极的对称电池表现出优异的性能，在1mA cm⁻² 和1mAh cm⁻²条件下寿命长达12000 h，同时具有出色的倍率性能。Li-CF/Ti₃C₂Br₂||LiFePO₄软包电池在N/P比为2.26的情况下，经过300次循环后容量保持率为97%。

Tuning Solvation Behavior within Electric Double Layer via Halogenated MXene for Reliable Lithium Metal Batteries

张喜田教授简介：，博士生导师，龙江学者特聘教授，黑龙江省杰青。黑龙江省科技创新团队首席专家，黑龙江省领军人才梯队“535工程凝聚态物理学科后备带头人，黑龙江省优秀硕士生导师，黑龙江省模范教师，黑龙江省劳动模范，黑龙江省高校师德先进个人。主要从事能源存储器件(超级电容器和电池)及其电极材料方面的研究，包括（1）超级电容器电极材料的研究与开发；（2）锂离子电池正极材料的设计和合成及其电化学性能；（3）锂硫电池的电极材料、电解液和隔膜的设计、合成；（4）金属锂负极高性能人工SEI膜开发及抑制枝晶机理研究。迄今为止，在《Adv. Mater》，《Angew. Chem. Int. Ed.》，《Appl. Phys. Lett.》，《Phys. Rev. B》，等国内外相关领域核心刊物上发表论文200多篇，授权中国发明专利8项，主持完成国家自然科学基金等课题20余项，荣获黑龙江省科学技术一等奖等省部级奖多项。

金奇（通讯作者）简介：哈尔滨师范大学光电带隙材料教育部重点实验室，讲师。主要从事研发具有高能量密度、高稳定性的Li–S电池相关工作，包括正极硫宿主材料的结构设计、合成、功能性隔膜研发、Li–S电解液优化与锂负极人工SEI膜设计等。以第一作者身份及通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Funct. Mater.,，Energy storage Mater.等发表SCI收录论文16篇，参与发表SCI收录论文30篇，累计被引800余次。

张天择简介，电子科技大学二年级博士生。主要研究方向：精准制备三元层状碳化物和氮化物（MAX）/二维过渡金属氮化物和碳化物（MXene），MXene的表面和界面调控，以及MXene在太赫兹技术中的应用。以第一作者身份发表SCI收录论文包括Nature Communications，Accounts of Chemical Research, Energy Storage Materials等。

本课题组专注于能源存储器件及其电极材料研究，涵盖超级电容器和电池多个方面。欢迎具有材料科学、化学、化工等相关专业背景的同学/老师加入课题组。我们提供良好的科研环境和实验条件，丰富的学术资源和交流机会，导师的悉心指导和团队的支持协作。如果你渴望在能源存储领域深入探索，欢迎加入我们的课题组！