薛冬峰研究员、彭超副研究员，《Matter》数据驱动锂金属负极人工界面层智能设计

第一作者：张奇  周川

通讯作者：彭超*，薛冬峰*

单位：中国科学院深圳先进技术研究院，南方科技大学

锂金属电池是较有前景实现高比能量属性的一类电池。在目前已知的电极材料中，锂金属具有最负电极电位 (-3.040 V vs. SHE) 和极高的能量密度（3860 mAh g^-1），是 Li-S 和 Li-air 等下一代电池负极材料的“圣杯。然而，锂金属负极存在安全性（枝晶生长）和循环稳定性两大问题，是其面向应用的瓶颈。在电池循环过程中，锂负极界面会形成固态电解质（SEI）膜，界面枝晶生长和副反应与负极 SEI 界面膜性质十分相关。不均匀 SEI 膜在电池循环中易破裂，造成电解液与负极直接接触，引发副反应。此外，界面不均匀结构，会诱导表面负电荷的局部聚集，界面极化增强，界面离子浓度形成不均匀分布。当电极电流密度增大时，负极形成的强负电场在短时间内吸收大量锂离子，导致锂离子在界面发生局部沉积，加快枝晶生长，引发电池安全问题。

近日，来自中国科学院深圳先进技术研究院薛冬峰研究员和彭超副研究员，在Cell旗下国际知名期刊Matter上发表题为“Data-driven discovery and intelligent design of artificial hybrid interphase layer for stabilizing lithium-metal anode”的研究论文。该研究融合了第一性原理计算和先进的人工智能方法，并利用分子自组装技术构建出一种新型的有机-无机人工界面层，其赋予锂金属负极界面良好的机械稳定性和离子导电性，此策略可诱导锂均匀沉积并抑制枝晶生长。

该研究所应用的高通量数据驱动工作流程，交叉融合了密度泛函理论和机器学习方法。主要筛选流程包含自组装分子结构特征、分子的电化学稳定性、化学稳定性和离子导电性等筛选准则。基于这些筛选准则，可以自动从PubChem数据库中捕获性能优异的含氟有机分子。这种新的研究范式加速了最优含氟有机分子的筛选进程，通过数据驱动实现了锂金属负极人工界面层设计与构筑。

研究人员利用机器学习方法揭示了自组装分子的结构特征（头基团、尾基团和中间基团）以及电子性质与人工界面层性能之间的构效关系，其中分子的QM偶极矩和静电势被确定作为关键描述符用来预测界面层锂离子迁移能垒。

最后，研究团队建立了一个由128个含氟有机分子组成的数据库，并同时推荐了8种性能优异的分子来构建锂金属负极表面有机-无机人工界面层。这些头部含氟的有机分子在内层形成无机LiF层，从而提高锂金属负极稳定性和离子导电性，而外部的线性有机分子层提供了丰富的三维多孔通道，促进锂离子的均匀扩散，并诱导锂的均匀沉积和抑制枝晶生长。

Data-driven discovery and intelligent design of artificial hybrid interphase layer for stabilizing lithium-metal anode

薛冬峰研究员简介：国家杰青、万人计划，受聘国家新材料产业发展专家咨询委员会委员（2017年时任国务院副总理马凯聘任），历任中科院长春应化所稀土资源利用国家重点实验室主任、山东大学晶体材料国家重点实验室主任。现任中科院深圳先进技术研究院多尺度晶体材料研究中心主任，研究员、博导。1993年毕业于河南大学、获应用化学工学学士学位，1998年于中科院长春应化所获无机化学博士学位。此后，分别在德国奥斯纳布吕克大学、加拿大渥太华大学、日本国立材料科学研究所从事博士后研究。2003年8月应聘到大连理工大学工作，2011年1-4月西澳大利亚大学Gledden高级访问学者，2011年2月起在中科院长春应化所开展研究。2015-2019年任所长助理、副所长、稀土资源利用国家重点实验室主任。2020年4月12月山东大学晶体材料国家重点实验室主任、教授（博导）。2005年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。2011年获国家杰出青年科学基金资助。2014-2022年连续入选Elsevier中国高被引学者榜单。2016年入选国家万人计划科技创新领军人才。2016年起享受国务院政府特殊津贴。2017年受聘国家新材料产业发展专家咨询委员会委员。2018年入选英国皇家化学会会士。2020年入选国际先进材料协会会士。2020年晋级为中国化学会高级会员。

彭超副研究员简介：男，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，深圳市海外高层次人才 、中国稀土学会稀土晶体专业委员会委员、中国化工学会无机酸碱盐专业委员会学术专家智库专家。2018年博士毕业于华东理工大学（师从爱尔兰皇家学院院士胡培君教授），2015-2017年期间受国家留学基金委（CSC）资助在英国贝尔法斯特女王大学进行博士联合培养，2018-2021年在英国南安普顿大学和英国法拉第研究所从事博士后研究工作，2021年加入中科院深圳先进技术研究院。主要从事新能源材料与器件领域的新型锂/钠/锌离子电池材料的多尺度理论设计与实验研究，拥有丰富二次电池理论研究经验。至今，已在Nat. Chem.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.等著名杂志上发表论文40余篇，申请国家发明专利8项。