电化学储能器件的效率与寿命从本质上取决于电极/电解质界面的特性。金属锂负极的引入对于实现高比能电池具有至关重要的意义，但由于其本征高反应活性所带来的体系复杂性，领域内目前对金属锂界面生成演化规律的认知仍相当匮乏，这极大程度地限制了对于金属锂界面的理性设计与调控。
近日，北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授团队在化学类顶级期刊Angewandte Chemie International Edition 发文对控制金属锂表面SEI生成的因素进行了双电层尺度的解析。本工作的第一作者为北京理工大学博士研究生许睿。
传统地，人们普遍认为电解液成分中热力学稳定性最低的成分必然决定了金属锂表面固态电解质界面相（SEI）的生成，但并未对此标准的适用性进行更微观尺度地理解和探索。在此工作中，作者以含有硝酸锂（LiNO3）的模型电解液作为研究对象，对比了不同NO3-阴离子缔合方式下的SEI生成行为和金属锂保护效果。
图1. 模型电解液设计以实现不同的硝酸根阴离子缔合方式。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
系统的研究结果证明，阴-阳离子间的直接缔合可中和阴离子自身的负电特性，使得阴离子可以接近同样荷负电的金属锂电极表面，从而参与SEI的构建。在强极性溶剂如DMSO体系下，阴-阳离子间的相互作用被严重削弱，导致阴离子无法进入金属锂双电层内分解构筑SEI。
图2. 阴离子缔合方式直接影响其在金属锂双电层内的富集行为，从而导致不同的界面特性。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
此工作进一步指出，以Cu2+为例的多价阳离子一方面具有更强的阴-阳离子相互作用，另一方面，多价阳离子受到金属锂表面剩余电子更强的静电吸引作用，从而可以促进阴离子在金属锂双电层内的富集，以实现更加稳定的阴离子诱导型SEI，提升电池的库伦效率与循环寿命。
图3. 多价阳离子（以铜离子为例）调控双电层性质，实现更高的循环库伦效率。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
此工作为理解金属锂界面构筑规律提供了更为深入的底层认识，为设计稳定高效的金属锂负极提供了重要的理论支撑。
Identifying the Critical Anion−Cation Coordination to Regulate Electric Double Layer for Efficient Lithium Metal Anode Interface
Rui Xu, Xin Shen, Xia-Xia Ma, Chong Yan, Xue-Qiang Zhang, Xiang Chen, Jun-Fan Ding, Jia-Qi Huang*
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202013271
黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展高比能电池能源化学研究。在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊发表研究工作100余篇，h因子为77，其中50余篇为ESI高被引论文。入选首届中国科协青年人才托举计划，获评中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，中国颗粒学会青年颗粒学奖，国家万人计划青年拔尖人才，北京市自然科学基金杰出青年科学基金项目，2018-2020年科睿唯安高被引科学家等。
https://www.x-mol.com/university/faculty/65719
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：研究最主要的出发点是为金属锂界面的理性调控提供基础认知。由于金属锂本征的活泼性，目前对于电极工作状态下界面的生成方式和演化行为是缺乏底层认识的。传统认为电解液成分的热力学稳定性直接决定了其是否在SEI构筑过程中扮演重要角色，但实际上，电极表面的电化学和化学反应是发生在双电层以内的，脱锂双电层的物理化学规律而只关注成分的热力学稳定性是缺乏实际指导意义的。我们这项研究是想理清其中的优先级顺序，为界面设计提供更为深入的理论指导。
A：本项研究中最大的挑战是如何设计模型体系，并通过理论与实验相结合的方式论证观点。
如上所述，金属锂界面是十分复杂的，我们需要设计足够简化且具有代表性的实验来进行合理论证。同时，我们还需要辅以相关的理论计算与模拟来对其中的微观相互作用进行解读。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：本工作为电极/电解液界面的设计提供了重要的理论依据，对于其他活泼金属负极，如钠、钾，甚至锂离子电池负极的界面调控都具有重要的意义。对于高比能电池的开发可能起到关键的推动作用。
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