第一作者：李元建 毛尔洋 Min Zhiwen
通讯作者：孙永明 教授
通讯单位：华中科技大学
DOI：10.1021/acsnano.3c08576
为了确保电动汽车在高纬度、高海拔地区以及寒冷的冬季条件下能够稳定运行，提高电池在低温（<-20℃）环境下的能量密度是至关重要的。传统锂离子电池以石墨作为负极，具有低能量密度，且在低于0°C的温度下性能和寿命显著下降，从而限制了其在低温环境下的应用。金属锂由于其超高的理论容量，最负的电化学电势和独特的电沉积/剥离工作机制，被视为适用于低温环境下高比能电池的首选负极。然而，随着温度下降，在锂金属负极附近的Li+传输动力学会变得极为迟缓，导致不均匀的锂沉积行为，从而引发电池的快速失效和潜在的安全问题。针对上述问题，目前的研究主要集中在电解液配方的优化，比如引入低极化性和低熔点溶剂以提高电解液的低温电导率，采用氟化电解液以优化溶解结构，降低Li+的去溶剂化势垒，以及加入在原位构建固体电解质界面层以维护金属锂表面的稳定性。尽管如此，使用这些先进电解液的锂金属电池在低温条件下还是难以实现高容量（> 4mAh cm-2）和长寿命（> 500 h）。
最近，华中科技大学孙永明课题组报道了一种新型的聚合物-合金-氟化物复合界面层，成功改善了锂负极在低温下的电化学反应动力学和稳定性，从而实现了具有高容量和长寿命的低温锂金属电池。这种复合界面层包含嵌入到聚合二氧戊环基体（PDOL）中的大量的梯度氟化固溶体合金复合纳米粒子（LiAg/LiF）。这种独特的组分和结构设计赋予了复合界面层卓越的锂亲和性和丰富的离子传输通道，使锂离子能够在电解液和锂负极界面快速均匀地传输。此外，该界面层还具备软硬结合的特性，有助于抑制锂枝晶的生长，并保持在低温循环过程中的稳定性。基于这些特点，PAF复合界面层修饰的锂金属对称电池在-40℃下可以稳定循环700 h。当其匹配高载量的硫化聚丙烯腈（SPAN）正极时，在-20℃下可实现商业级的容量（4.26 mAh cm-2），循环150次并实现高达74.7%的容量保持率。
相关成果以“Hybrid Polymer-Alloy-Fluoride Interphase Enabling Fast Ion Transport Kinetics for Low Temperature Lithium Metal Batteries”为题发表在材料类国际顶级期刊ACS Nano上。
图一为PAF-Li电极的制备和表征
（a）PAF-Li电极的制备过程示意图。PAF-Li电极的（b）XRD衍射图谱，（c，d）XPS的图谱，（e）TOF-SIMS图谱，（f）红外图谱，（g,h）SEM图以及相应的EDS元素分布图。
图二为PAF-Li电极在-40℃下在对称电池的电化学行为
（a，b）Li||Li 和PAF-Li||PAF-Li对称电池的电压分布曲线；（c）Li||Li 和（d）PAF-Li||PAF-Li对称电池在循环1、10以及50次后的阻抗图；（e，f）纯锂和（g, h）PAF-Li电极循环50次后的表面SEM图。
图三为PAF 复合界面层在快速低温反应动力学方面的优势分析
（a）PAF-Li电池循环50次后的TOF-SIMS图谱；（b，c）纯锂和PAF-Li电极在循环50次后的XPS分析；（d）Li在LiF，Li2CO3, LiAg和 PDOL中的扩散势垒；（e）LiF，Li2CO3, LiAg和 PDOL对Li的吸附能；（f，g）COMSOL模拟在纯锂和PAF-Li电极表面的Li+分布情况。
图四为PAF-Li在-40℃下的工作的示意图
（a）纯锂电极。电解液分解形成的富含Li2CO3的SEI覆盖在电极表面, 使得界面锂离子传输动力学缓慢，导致锂枝晶和死锂的形成。(b) PAF-Li电极。PAF 复合界面层中的 PDOL、Li-Ag 固溶体合金和 LiF的协同作用，使金属锂负极具有快速、均匀的锂离子传输能力，以及在 -40 °C 下无树枝状锂镀层/剥离行为。
图5为PAF-Li在高载量锂硫全电池中的电化学性能
(a−d) SPAN||Li和SAPN||PAF-Li电池的循环性能以及对应的充放电曲线；(e) SPAN||PAF-Li电池和文献中报道的低温锂金属全电池的性能比较。
综上，针对锂金属电池在低温下的界面离子传输动力学缓慢的问题，作者成功开发了修饰锂金属负极的一种聚合物-合金-氟化物复合界面层。这种界面层具有独特的结构和组分设计，不仅可以有效降低 Li+ 在电极-电解质界面去溶剂化和在电极表面扩散的能量障碍以加快锂沉积的反应动力学，还能够抑制锂枝晶的生长并维持电极结构在长期循环过程中的稳定性。这种可以加速离子转移动力学的复合界面层设计，为在低温条件下开发高容量、长寿命的锂金属电池提供了新的发展思路。
Yuanjian Li, Eryang Mao, Zhiwen Min, Zhao Cai, Zihe Chen, Lin Fu, Xiangrui Duan, Lingyue Wang, Chang Zhang, Ziheng Lu, Wei Liu, Zhi Wei Seh, and Yongming Sun*. Hybrid Polymer-Alloy-Fluoride Interphase Enabling Fast Ion Transport Kinetics for Low-Temperature Lithium Metal Batteries. ACS Nano, 2023. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08576
孙永明，博士，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才项目，《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单。孙永明教授长期从事新型储能材料与技术（锂离子电池、锂金属电池、锌金属电池等）等方向的科学研究。孙永明教授在新型储能材料与技术相关领域取得了一系列突出成果，在Science, Nature Energy, Nature Nanotechnology等知名国际期刊发表论文100余篇。其中发表通讯作者或第一作者论文40+篇，包括Nature Energy （2）、Nature Communications（2）、Science Bulletin (1)、 Journal of the American Chemical Society（1）、Angewandte Chemie (1) 、Advanced Materials （5）、Advanced Energy Materials (3)、Advanced Functional Materials (5) 、Energy & Environmental Science（1）、Joule（1）、Chem（1）、ACS Nano (2) 等。此外，获得授权国内外专利10余项目。据google scholar, 所发论文引用超过20000次，H因子为61。
课题组主页http://futurebattery.wnlo.hust.edu.cn/index.htm
华中科技大学孙永明教授课题组诚聘海内外知名高校材料、化学、能源、物理等相关背景的博士后。课题组致力于通过多学科交叉的研究为下一代储能电池的发展提供新的可能和机遇。根据承担的科研任务及实验室发展需要，诚聘2-3名优秀博士后。
招聘要求
1、已经获得或者将于近期获得博士学历，具有较强材料、化学、物理或能源专业基础和理论功底的博士，具有以下研究工作经历之一者优先：（1）储能电池材料和器件研究经历；（2）无机合成、有机合成等研究经历；（3）具有电池材料理论模拟研究经历。2、具有独立撰写英文论文的能力，独立撰写并以第一作者身份在相关学科领域权威杂志上发表一区SCI论文1篇（中科院分区）及以上；3、对研究领域具有创新性构想和战略性思维，具有旺盛的工作热情；4、为人正直诚恳，具有良好的团队意识和合作精神。
博士后待遇及福利1、提供优越的科研平台。武汉光电国家研究中心为科技部首批六个国家研究中心之一，作为适应大科学时代基础研究特点而组建的学科交叉型国家科技创新基地，其面向世界科技前沿、面向国家重大需求，是国家科技创新体系的重要组成部分；2、博士后聘用期限一般为2至3年，年薪25万+（面议）；3、博士后研究人员聘期内，参照华中科技大学正式职工，享受同岗位教师子女入学、入托，医疗保险以及其他福利待遇；4、博士后研究人员聘期内，学校提供博士后公寓租住，对未能入住者，给予1000元/月的租房补助；5、课题组将为博士后提供良好的科研条件和职业发展平台，鼓励并全力支持博士后申报各类项目，具体 议。
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