扬州大学，美国宾夕法尼亚州立大学 Nano Energy: 功能化聚合物SEI层实现锂金属负极保护的策略

随着对电动汽车和其他高能量密度储能设备需求的增加，传统的石墨阴极已无法满足未来的需求。锂金属电池因其高比容量和低氧化还原电位而受到越来越多的关注。然而，由于锂枝晶的生长、剧烈的体积变化、高反应活性以及在循环过程中持续的锂损失，锂金属电池的安全性和耐久性问题严重阻碍了其商业化应用。形成稳定的固体电解质界面（SEI）是克服这些缺点的有效途径。在这些人工SEI层中，有机聚合物由于具有化学和电化学稳定性以及高机械强度，因而成为锂金属表面钝化的理想选择。基于聚合物的SEI有效抑制了枝晶的生长和体积变化，从而在锂沉积过程中形成均匀的锂层。在过去的几十年里，研究主要集中在锂金属阴极的聚合物改性方面。本文从SEI层功能化的角度系统地探讨了聚合物材料保护锂金属负极的设计策略、研究现状和主要科学问题。最后，我们强调了高性能聚合物基SEI的设计原则，并展望了其未来的发展方向。

近日，来自扬州大学的王天奕副教授与宾夕法尼亚大学的Shanhai Ge 副教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Development of Polymer-based Artificial Solid Electrolyte Interphase for Safer Li-Metal Batteries: Challenges, Strategies and Prospects”的综述文章。该文章从聚合物SEI层的制备方法出发，以独特的视角将功能化聚合物SEI层归类为单离子导电聚合物SEI层，自愈合聚合物SEI层等。并系统地分析了各种聚合物组分之间的差异和共同点。

众所周知，SEI层组成具有镶嵌结构，其中几种成分不均匀分布，形成一种异质混合物，使锂离子能够快速通。SEI层的横截面呈现出两层结构。内层主要由Li₂O、Li₃N、LiF、LiOH和Li₂CO₃等无机化合物组成，外层则由与电解液溶剂相关的有机化合物如ROCO₂Li、ROLi、RCOO₂Li等组成（R表示有机基团。因此，人工SEI层的主要成分不可避免地被分为以无机物为主的SEI层（无机富集SEI）、以有机物为主的SEI层（有机富集SEI）以及同时结合有机和无机材料的复合SEI层。富含无机物的SEI，如LiF和Li₂O，在导电性和机械强度方面表现出卓越的性能。相反，富含有机物的SEI在柔韧性方面表现优异。然而，与 PEO相比 ，PVDF由于易分解，稳定性较差，因此影响了循环稳定性。富无机SEI层因其有效阻止电子隧道和促进均匀锂传输的特性，在抑制枝晶生长方面具有独特的优势。

为了获得理想的SEI层（例如，较高的机械强度和较高的锂离子导电性），提出了人工SEI（ASEI）的概念。根据Web of ScienceTM在2024年3月的统计数据，并使用VOSviewerTM进行分析，叠加可视化将按时间顺序排列的文献中的高频关键词进行关联。在这些ASEI薄膜中，聚合物材料由于其较高的机械强度和易于设计，逐渐引起了人们的关注。由电解液或添加剂形成的原位SEI层的厚度和机械强度较低，它们还具有不可控的形态，导致锂的不均匀沉积。非原位SEI层很难在大规模上生产，因为它们的制备过程相对复杂，但可以满足一些功能要求，如高温耐受性、高电导率和高机械强度。

王天奕副教授简介：2017年毕业于扬州大学化学化工学院应用化学专业，获工学学士学位；2017年赴澳大利亚悉尼科技大学（University of Technology Sydney）攻读博士学位，2021年获理学博士学位。同年加入扬州大学化学化工学院，博士生导师，从事新型能源存储技术和纳米材料生物应用的研究（含工业研发），涉及锂离子电池，锂硫电池，硅碳负极复合材料，锂金属负极和生物材料等领域。主攻电池电极界面的改良与调控，电池微纳结构的合成与调控等。以第一/通讯作者在 Nature Communications，Angewandte Chemie (3篇），Advanced Energy Materials（2篇）, Electrochemical Energy Review, Advanced Science，Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A; Small methods 等期刊发表论文30余篇。江苏省“双创博士”，主持国家自然科学基金青年项目一项。