北京化工大学王峰教授课题组Angewandte Chemie： 化学键接超共形界面实现高性能锂金属电池

第一作者：杨娜

通讯作者：王峰*，牛津*，史永正*

单位：北京化工大学

与液体电解质相比，固体电解质具有更高的热稳定性、更好的电化学稳定性和更好的机械性能，同时具有更高安全性（示意图1b-d）。固态电解质包括有机、无机、以及复合固态电解质，无机固态电解质（例如，氧化物、硫化物、氮化物等）有高的本征离子电导率、高硬度，在一定程度上可以抑制锂枝晶的形成，并具有良好的热稳定性。然而，由于差的固固接触，锂离子在刚性无机固态电解质和电极之间的界面处的迁移损耗较大。当前研究当报道了使用无机/有机中间层（例如Na、Ga、Ge、Zn、Li-Mg合金、MXenes聚丙烯腈、聚环氧乙烷等）来试图解决无机固态电解质与电极之间的界面问题，然而，所得到的非共形的中间层不能承受在充放电过程中在界面处的机械变化，同时由于异质介质的引入进一步阻碍了锂离子的传输，（示意图1e，顶部）。

这样的界面问题在传统聚合物固态电解质和复合固态电解质中同样存在。尽管聚合物基体可以提供相较于无机固态电解质而言更紧密的接触，但在长期充放电过程中，聚合物基质难以适应金属锂负极的体积变化，产生不可逆塑性变形并导致不稳定的界面接触进致使电池失效。因而，在锂负极与固态电解质之间建立动态的紧密连接界面连接是解决固态锂电池界面问题的关键。

北京化工大学王峰教授团队在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“A Chemically Bonded Ultraconformal Layer between the Elastic Solid Electrolyte and Lithium Anode for High-performance Lithium Metal Batteries”的文章。

作者开发了一种化学气相氟化方法，以在橡胶衍生的弹性电解质上建立亲锂表面，经由电化学过程后形成弹性、超薄、机械完整的LiF层。由此产生的超共形层化学连接电解质和锂负极，并在循环过程中始终保持动态接触，从而保障锂离子在界面上的快速、稳定传输，并促进锂的均匀沉积，抑制聚合物基质与金属锂之间的副反应。使用该电解质组装的对称电池具有超2500小时的超长循环寿命，以及1.1mA cm^-2的高临界电流密度。在不同温度、不同正极的全电池测试中均表现出良好的性能。

开发了一种气相氟化方法在橡胶衍生的弹性电解质上构筑亲锂富氟表面，通过电化学过程形成化学键接的弹性、超薄、完整的富LiF超共形界面层。

飞行时间二次离子质谱显示，气相氟化策略未增加电解质厚度并保持了橡胶基体的弹性，最大拉伸长度可达250%，法向弹性模量可达390 MPa。

所制备的电解质具有高的室温离子电导率、高离子迁移数以及宽的电化学窗口；

通过空气暴露实验、对循环后锂负极的扫描电镜、溅射XPS、飞行时间二次离子质谱等手段深入分析了超共形层在电池循环中抑制枝晶生成、减少副反应的重要作用。

最终使用该电解质组装的对称电池具有超2500小时的超长循环寿命、1.1 mA cm^-2的高临界电流密度和良好的倍率能力。此外，固态全电池在不同温度、不同电流、不同正极的测试中均表现出良好的性能，该工作为解决固态固态金属锂电池界面问题提供了新策略。

A Chemically Bonded Ultraconformal Layer between the Elastic Solid Electrolyte and Lithium Anode for High-performance Lithium Metal Batteries

王峰，教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，2003年毕业于日本东京都立大学工学获工学博士学位，2003年至2006年在日本国立信州大学完成博士后研究。

现任北京化工大学副校长、材料电化学过程与技术北京市重点实验室主任，兼任北京表面工程学会第八届理事会副理事长、中国化学会能源化学专业委员会委员、教育部科技委材料学部委员。主要从事电催化材料、电化学储能材料、纳米炭材料以及应用电化学工程等领域的研究。

2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2011年获得国家杰出青年科学基金资助。先后承担了国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金区域联合基金重点支持项目、北京市科技计划项目以及企业委托项目等10余项科研项目，在Chem.Soc.Rev., J.Am.Chem.Soc., Adv.Mater., Adv.EnergyMater., Adv.Funct.Mater., Angew.Chem.Int.Ed., EnergyEnviron.Sci., NanoEnergy, ACSCatal., EnergyStorageMater.等国际期刊上发表SCI学术论文共200余篇，编写英文专著1部，获国家发明专利授权50余件、欧洲和日本发明专利授权各1件，获省部级科技奖励一等奖和二等奖各1项。

牛津，副教授，硕士生导师，2018年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业，获工学博士学位（导师王峰教授），2017-2018年在美国麻省理工学院访问交流（导师Kong Jing教授），2019-2020年在日本东京都立大学进行博士后研究工作（合作导师Kiyoshi Kanamura教授）。

主要从事电化学储能材料及应用研究，近年来以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J.，等期刊发表论文30余篇，其中IF>15的11篇，IF>10的20篇，ESI高被引论文3篇，封面封底论文4篇。编写英文专著1部，申请国家发明专利15项，授权7项。主持国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费基地项目、北京化工大学青年优秀后备人才项目和企业委托项目等6项。担任《eScience》和《Tungsten》期刊青年编委，受邀担任《Molecules》（JCR1区，中科院2区Top期刊）等期刊客座编辑。

史永正 博士，华北电力大学。2018年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业，获工学博士学位，2020-2022 年和2018-2020 年分别在北化王峰教授课题组和北航杨树斌教授课题组从事博士后研究工作，研究重点是固态复合物电解质、橡胶衍生弹性电解质。近年来在Adv. Energy. Mater., Adv. Sci., J. Power Sources, Electrochim. Acta., J. Phys. Chem. C等期刊发表 SCI 收录论文 10 余篇，获得国家发明专利 5 项。

杨娜 北京化工大学博士研究生