孟祥波教授， Nano Energy：新型含锂聚合物表面涂层助力高性能锂金属负极

第一作者：王新

通讯作者：孟祥波

单位：美国阿肯色大学

锂离子电池作为重要的储能设备常见于我们生活中的方方面面，如相机、手机、笔记本等。然而由于传统石墨负极的理论比容量（372 mAh g^-1）的限制，锂离子电池的能量密度越来越接近其上限。在这种情况下，锂金属由于其超高的比容量（3860 mAh g^-1）和超低的氧化还原电势（-3.040 V vs SHE）而受到越来越多关注，被认为是最有前景的负极材料之一。但是充放电过程中锂金属负极表面普遍存在的固体电解质相界面（SEI）和锂枝晶成为阻碍该电极材料商业化的最突出问题。众多研究表明，表面涂层是解决上述两个问题的最有效途径之一。本篇论文回顾了近年来锂金属负极表面涂层方面的相关工作，详细阐述了新型聚合物膜对于锂金属负极性能的重要作用。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速锂金属负极的研究及商业化。

近日，美国阿肯色大学孟祥波教授课题组在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“A Novel Polymeric Lithicone Coating for Superior Lithium Metal Anodes”的实验文章。该文章系统描述了运用分子层沉积技术（Molecular layer deposition, MLD）生长新型含锂聚合物膜LiHQ (HQ = hydroquinone, 对苯二酚)的过程，展示了该膜在锂金属电极性能提升方面的重要作用，同时分析了电化学循环过程中该膜在锂金属电极表面的作用机理。

一般情况下，表面涂层可通过化学气相法（CVD）、物理气相法（PVD）、湿化学法等途径实现。由于锂金属的熔点较低（约180 ℃），而CVD和PVD所需温度通常高于锂的熔点，所以湿化学法便成为锂金属电极表面涂层的常用方法。然而，虽然该法简单易行，但得到的涂层材料成分、厚度均难以控制。这种情况下，MLD技术由于（1）沉积温度低（≤200 ℃），（2）能生成均匀、共形的膜，（3）控制膜的生长厚度（精确到0.1 nm）等优点而成为锂金属电极表面涂层的理想手段。本文在150 ℃下将LiHQ聚合物膜直接沉积在锂金属电极表面，且确定膜的生长率为4 Å cycle^-1。通过控制LiHQ膜的生长圈数而得到不同的厚度，分别为10，20，30和40 nm。通过一系列的电化学测试确定了膜的最佳厚度为30 nm。

金属锂与常见的醚类电解液在电化学循环过程中容易发生副反应，导致电池的容量下降以及寿命衰减，甚至产生安全问题。LiHQ聚合物膜的沉积可隔绝锂金属电极表面与电解液的直接接触，极大减少SEI的生成。同时，由于该膜具有高离子导和电子绝缘的特性，锂电极表面的枝晶生长也得到极大地抑制。这些优点使得Li||Li对称电池的循环寿命达到8400圈以上（5 mA cm^-2，1 mAh cm^-2条件下）。进一步的测试表明，涂有LiHQ聚合物膜的锂金属电极使得Li||NMC811全电池在常见的碳酸盐电解液中的循环性能得到显著提高。

当前关于锂金属电极表面MLD聚合物保护膜的报道仍然有限，但从这些报道中能看出MLD聚合物膜对锂金属电极的性能影响巨大，这可能成为未来研究的一个潜在方向。同时，MLD膜虽然能极大提高锂金属负极的性能，但在与未保护的正极材料组成的锂金属全电池中的作用有限。只有对正负极材料同时进行表面保护才能最大程度发挥该技术的优势，加速其在商业市场中的应用。

A Novel Polymeric Lithicone Coating for Superior Lithium Metal Anodes

孟祥波教授简介：现为美国阿肯色大学机械系副教授，长期从事新型电池以及原子层和分子层沉积技术开发工作，特别是利用原子层和分子层沉积技术针对电池界面问题的专项研究。之前于加拿大西安大略大学化工与生物化学工程系（2005-2008）和机械与材料工程系（2009-2011）获得双博士学位，并随后在美国布鲁克海文国家实验室（2011-2012）和阿贡国家实验室（2012-2016）从事博士后研究工作。以通讯作者身份及第一作者身份在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Matter, Energy Storage Materials, Journal of Material Chemistry A, Nano Energy 等学术刊物发表多篇研究论文。迄今已发表论文100余篇，申请美国专利16项，被引用近8,000余次，H因子44。

王新，2022年博士毕业于阿肯色大学机械工程系，师从孟祥波教授。2022-2023于阿肯色大学从事博士后研究。主要从事三元正极材料和锂金属负极材料的相关研究。现为温州肯恩大学化学系助理教授。以第一作者身份在Nano Energy, Energy Storage Mater., Matter, Chem. Eng. J., J. Energy Chem., Nanotechnology等学术刊物上发表多篇论文。

孟祥波教授指导下纳米和能源课题组的研究目前主要集中在两方面：（1）新型电池的开发，包括锂离子电池、锂金属电池、钠离子电池、钠金属电池、以及固态电池；（2）新型原子层和分子层沉积技术的开发及应用，包括新型前驱体研发、新型化学过程探索、反应机理研究、和材料形貌性能的研究及应用。课题组的研究经费主要来源于美国能源部、美国自然科学基金委、及工业合作。

孟祥波教授课题组欢迎有志于前沿科学研究的青年学子加入，常年提供硕士、博士、及博士后机会，特别是有较强化学、物理、或材料背景的科研才俊。