崔屹/鲍哲南Nature Energy：用于锂金属负极的亲盐、疏溶剂聚合物涂层

锂金属负极电池因其高理论比容量而作为下一代储能器件显示出巨大的潜力，但锂金属电池（LMBs）的容量会迅速衰减，一个主要原因是锂金属和电解液之间的界面不稳定。为了提高负极的性能，有三种常规路线：电解液工程、界面设计或两者的混合。

作为一种界面设计方法，在锂负极电极上施加聚合物层有助于稳定该界面并促进LMBs的长循环稳定性。同时，聚合物因其可调化学成分而备受青睐，且聚合物层有望与底层锂金属发生物理和化学相互作用。

在此，美国斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授等人提出了一种用于锂金属负极的亲盐、疏溶剂（SP²）聚合物涂层，它选择性地将锂盐转运到溶剂上，从而促进盐衍生SEI的形成。与先前报道的人工SEI不同，该SP²涂层方法增强了在几种类型的溶剂（如乙醚、碳酸酯和氟化醚）中的循环性能。

具体来说，SP²涂层进一步提高了最近报道的高性能氟化醚电解液的循环寿命，在全电池循环中，具有聚合物涂层的50 μm Li负极和2.5 mAh cm^-2的镍锰钴氧化物（NMC）正极在碳酸酯电解液中的循环寿命（80%容量保持率）增加了约2.5倍，在氟化醚电解液中增加了约2倍。

图1. PyTFSI和SP²_perF聚合物的选择性

为了表征SP²聚合物的选择性运输，设计了一个以该聚合物为桥的H电池实验，结果表明了盐在溶剂上有选择性输运。作者比较了PyTFSI和SP²_perF聚合物在二甲醚浸泡前后的力学性能和离子电导率，表明溶剂疏水性侧链的存在也有望限制聚合物在溶剂中的膨胀。作者进一步研究了SP²_perF聚合物对SEI形成过程的影响，由于SP²_perF聚合物的选择性传输能力，沉积的Li与溶剂分子的接触受到限制，并且在各种电解质条件下形成更多的盐衍生SEI。

此外，在原位光学电池循环过程中，SP²_perF保持了电极表面的覆盖，从而在涂层下形成均匀的Li沉积。相反，在裸电极上，锂在高电场浓度的位置不规则沉积。SP²_perF聚合物调节SEI组成的能力显著改善了Li||Cu电池的循环性能。为了进一步了解界面所需的溶剂疏水性和亲盐性范围，用亲溶剂聚合物涂层(硅氧烷-glyme)组装了Li||Cu电池。在碳酸盐电解质中，该涂层对CE的改善有限，锂沉积形貌保持晶须状，证实了疏溶剂界面的重要性。

总之，SEI的化学性质对LMBs的稳定运行至关重要。该工作展示了一种SP²界面设计，该设计促进了盐衍生SEI的形成，并提高了循环性能。通过材料和电化学表征对涂层进行了优化，并得出了一种聚合物组合物，可以在三种主要电解质类别(乙醚、碳酸盐和氟化醚)下提高电池性能。此外，SP²的设计理念可以扩展到其他聚合物化学中，并可能与其他新兴电解质配对。

图2. SP²_perF包覆Li在Li||NMC电池中的循环

A salt-philic, solvent-phobic interfacial coating design for lithium metal electrodes, Nature Energy 2023 DOI: 10.1038/s41560-023-01252-5

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