天津工业大学徐志伟教授ACS Nano：β-构型主导的淀粉聚集体降低锂界面不稳定性

第一作者：梁帅统

通讯作者：徐志伟，石海婷

单位：天津工业大学

锂金属电沉积过程非均匀的Li⁺扩散和表面电场分布易在热力学上倾向生成枝晶状锂，加剧锂金属负极微尺度的机械相互作用，从而引起电池短路等一系列安全问题。近几年，具有复杂组成和结构的生物蛋白分子通过合理的结构设计、精细的分子相互作用调整实现了锂负极界面层的稳定。然而，在诸多蛋白材料修饰锂金属界面层的研究中，复杂的蛋白基团系统、构象可调的特征性和蛋白膜的力学性能与锂金属负极的稳定关联机制仍然不清楚。

基于此，来自天津工业大学徐志伟教授团队在国际知名期刊《ACS Nano》上发表题为“Tuning Interface Mechanics via β-Configuration Dominant Amyloid Aggregates for Lithium Metal Batteries”的论文。

研究者通过将PVDF静电纺丝膜和相转变溶菌酶蛋白膜(PVDF/Lysozyme)相结合，合理设计和制造了具有高机械强度和均匀锂离子通量的功能性改性层。发现具有β-折叠构象且含有高亲理性巯基的超薄溶菌酶膜经历超限锂电镀/剥离仍有效抑制锂金属与电解质的不良反应。溶菌酶膜修饰的金属锂界面具有较高的机械强度和Li⁺结合能，其弹性模量是其它蛋白的5倍，巯基极性基团对锂的吸附能是常规肽键的1.6倍。

通过同步辐射小角散射表征和物理场的耦合计算，大孔PVDF纳米纤维膜和柱状纳米孔溶菌酶膜促进了锂离子浓度在金属锂表面的均匀分布。通过溶菌酶修饰，实现了Li-Li对称电池（2800小时）和Li-LiFePO₄全电池（1450循环）的高稳定性

首先，随着孵育时间增加，PVDF纤维膜孔被溶菌酶膜逐渐覆盖，且孵育时间可以调控膜厚度。利用同步辐射小角X射线散射技术并根据Guinier定律分析了一系列微孔参数，得到溶菌酶膜的回转和微孔半径分别为4.52 nm和6.81 nm且孔结构为柱状。

图1. 复合材料的制备和孔结构的表征

要点二：界面层的力学性能

通过纳米压痕/划痕、荧光显微镜、吸附能计算等研究发现：8 μN载荷下溶菌酶的硬度和弹性模量分别为0.54和31.88 GPa，高于目前报道的蛋白材料，且溶菌酶修饰的SEI膜的硬度和弹性模量分别为0.43和6.87 GPa。锂与四个主要基团（即肽、羧基、氨基和巯基）的结合能分别为1.178 eV、0.947 eV、1.101 eV和1.933 eV，巯基对锂的吸附能最高。

图2. 界面层机械强度及溶菌酶膜与Li⁺的作用

要点三：电化学性能

利用PVDF/Lysozyme隔膜组装的Li-Li对称电池可稳定循环2800小时，且溶菌酶修饰的锂表面呈苔藓状锂，而无溶菌酶修饰的锂表面被厚的枝晶覆盖。全电池在1450次循环后，1 C下的可逆容量为135 mAh g^-1。

图3. Li-Li对称电池和Li-LiFePO₄全电池性能

要点四：界面锂离子浓度的有限元模拟

通过电荷密度模拟，对不同形态（三角形、半圆形、矩形）锂芽的吸附，结果证实溶菌酶膜降低了电场强度。通过电流分布与变形几何的耦合证实溶菌酶膜的柱状纳米孔可以对锂离子通量进行二次分布。PVDF膜首先将锂离子流分流，然后锂离子流在通过多孔溶菌酶膜时进行二次均匀分流，实现了Li⁺的均匀沉积。

图4. 有限元模拟和Li⁺的二次分流

Tuning Interface Mechanics via β-Configuration Dominant Amyloid Aggregates for Lithium Metal Batteries

天津工业大学纺织科学与工程学院教授、博士生导师、天津市“131”第一层次人选。先后参加完成了863计划课题、国家自然基金重点和国防预研等多项科研项目，主持国家自然基金和省部级项目10余项；迄今已在ACS nano、Energy Storage Materials等高影响力杂志发表论文170余篇，引用近5000余次，h因子40；获得授权国家发明专利15项；获得省部级科技进步奖5项。研究领域包括碳纤维复合材料界面结构调控、碳基混合基质分离膜制备以及碳基离子电池负极材料的结构设计及其电化学性能研究。

天津工业大学徐志伟教授课题组诚聘具有纺织、化学、物理等相关背景的博士和博士后。

招聘方向：碳纤维复合材料，电化学，分离膜。

招聘要求：

1.具备模拟计算能力（优先）；

2.具有独立撰写英文论文的能力，以第一作者身份发表二区SCI论文1篇及以上；

3.具备独立思考能力，工作踏实认真。

应聘者请将个人简历，含学习、工作经历等材料整合为单个PDF文件，发送至邮箱xuzhiwei@tiangong.edu.cn，邮件主题为方向+姓名。

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