麦立强：梯度亲／憎锂保护膜确保金属锂电池“超级安全”

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金属锂(Li)具有非常高的理论比容量(3860 mAh·g-1)，有望作为下一代高能量密度电池的负极材料用于电动汽车和电网存储。然而，在锂离子反复沉积和析出过程中，金属锂负极表面容易生长出锂枝晶，并出现粉化现象。这导致大量的电解液被消耗，电池的利用率低，并造成潜在的安全隐患，缩短电池使用寿命，极大地限制了锂金属电池的进一步应用。目前，关于抑制锂枝晶生长的方法中，在金属锂表面构筑稳定的保护界面是抑制锂枝晶生长直接有效的方法。然而，金属锂与电解液界面层的研究目前还处于一个经验性的摸索阶段，其构建机理迄今鲜见报道。

近日武汉理工大学麦立强教授、军事科学院防化研究院张浩博士等发现憎锂、较大的机械强度以及良好的Li离子扩散动力学是构建锂金属界面层的三个必要条件。基于此他们利用亲锂-憎锂的梯度策略构建了锂金属界面层(GZCNT)，有效地抑制了锂枝晶的生长，并在Nat. Commun. 上发表了题为“Lithiophilic-lithiophobic Gradient Interfacial Layer for Highly Stable Lithium Metal Anode”的研究论文。博士研究生张慧敏、廖小彬为该工作的共同第一作者。GZCNT梯度膜由亲锂的氧化锌/碳纳米管底层，憎锂的碳纳米管顶层，以及中间过度层有序的构成。亲锂的底层与金属锂紧密结合，可促进稳定的固态电解质膜（SEI）的形成，抑制金属锂和亲锂层层间形成锂枝晶，顶层的憎锂层因具有较大的模量可以抑制锂枝晶的进一步生长，而中间的缓冲层又可以防止因亲锂、憎锂的突然转变而产生明显的锂枝晶分级层，从而确保金属锂负极的超长循环。他们同时证明，GZCNT梯度层应用在铜集流体、10 cm2的软包电池和锂硫电池都有着优异的性能。另外，该梯度概念不仅仅适用于碳基的梯度层，还适用于高分子纤维等其他各种材料，可极大地促进安全锂金属电池的发展。

综上所述，研究人员发现憎锂性、高的机械强度和良好的锂离子扩散动力学是构建稳定锂金属界面膜的三个必要因素。基于该原则构建的梯度膜可有效的抑制锂枝晶生长，确保锂金属负极在铜集流体、锂硫电池中的超长循环。该梯度策略适用于包括碳材料在内的各种材料，使其为制备下一代安全高效的锂电池负极材料提供了有效的策略。

该工作受到国家重点研发计划(No. 2016YFB0901503，2016YFA0202603)，国家杰出青年基金(51425204)等项目的支持。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-06126-z（Nature Communications 9, Article number: 3729 (2018)）