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  聚偏氟乙烯（PVDF）基聚合物固態(tài)電解質(zhì)（SPEs）因其良好的安全性與較高的室溫離子電導率（~10^-4 S cm^-1）而被認為具有取代當前商業(yè)化的易燃液態(tài)電解質(zhì)，在下一代高能量密度電池中應用的潛力。然而，PVDF SPEs在制備過程中往往殘留少量N,N-二甲基甲酰胺（DMF），這些DMF分子在充放電過程中，容易從鋰金屬負極得電子形成自由基，引發(fā)一系列使得PVDF SPE/Li界面降解的副反應。尤其是在進行較大面容量（≥0.2 mAh cm^-2）充放電時，界面惡化會變得尤為嚴重。至今為止，實現(xiàn)高面容PVDF基聚合物鋰電池的長循環(huán)壽命依然是十分嚴峻的挑戰(zhàn)。

  該工作針對PVDF基SPEs與鋰金屬負極間的界面副反應問題，構建了一種以LiOH-LiNH₂為主要成分的超薄人工SEI膜（稱為LON膜）來抑制鋰金屬負極與PVDF SPE中DMF之間的電子轉移，從而增強了SPE/Li界面穩(wěn)定性，提升了PVDF基聚合物鋰電池的循環(huán)壽命。具體來說，作者通過水蒸氣、氮氣與鋰金屬之間簡單的氣-固加熱反應，在鋰金屬電極表面構建LON膜。LON中的主要成分LiOH和LiNH₂均具有極低的電子電導率（~10^-11 - 10^-12 S cm^-1），可以有效地阻止DMF從鋰金屬負極得電子形成自由基。另一方面，LiOH和LiNH₂還可以促進PVDF SPE中的[Li(DMF)_x]⁺去溶劑化，降低了電池界面阻抗與極化電位，對電池性能提升也有所幫助。基于具有LON膜的鋰金屬負極（Li@LON）負極，作者組裝了Li@LON/PVDF SPE/Li@LON對稱電池和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）/PVDF SPE/Li@LON全電池。實驗證明，相比于基于未經(jīng)處理的鋰金屬負極（Bare Li）組裝的對稱電池與NCM811//Bare Li全電池，基于Li@LON的電池在較大面容量（0.2 – 0.6 mAh cm^-2）、較高倍率（3 C）、較高正極活性物質(zhì)載量（6.3 mg cm^-2）充放電時均表現(xiàn)出更佳的循環(huán)穩(wěn)定性與更長的循環(huán)壽命。

圖1. Li@LON電極的制備及LON層對PVDF SPE中DMF相關界面副反應抑制過程示意圖。

  LiOH是一種廣泛證明存在于鋰離子電池SEI膜中的組分，然而此前沒有研究者在構建人工SEI膜時將其作為主要成分。這是因為常用于生成LiOH的Li-H₂O反應會伴隨H₂的產(chǎn)生（反應式1），隨后在鋰金屬表面生成不利于電池穩(wěn)定循環(huán)的LiH（反應式2、3）。根據(jù)此前文獻報道，在有N₂參與時，Li和H₂O的反應不會產(chǎn)生LiH，而是產(chǎn)生LiNH₂（反應式4）。X射線光電子能譜（XPS）和二次離子飛行時間質(zhì)譜（ToF-SIMS）表征結果證明通過水蒸氣、氮氣與鋰金屬氣固反應生成的人工SEI膜主要成分確實為LiOH與LiNH₂。此外，通過掃描電子顯微鏡（SEM）與原子力顯微鏡（AFM）力學曲線表征證明LON層厚度僅為30 nm，不會顯著增加界面阻抗。

2 Li + H₂O = 2 LiOH + H₂（1）

2 Li + H₂ = 2 LiH （2）

LiOH + 2 Li = Li₂O + LiH （3）

6 Li + 4 H₂O + N₂ = 4 LiOH + 2 LiNH₂（4） 

圖3. Li@LON對[Li(DMF)_x]⁺去溶劑化過程的促進；Li@LON//Li@LON與Bare Li//Bare Li對稱電池循環(huán)性能、極化電位與界面阻抗對比。

圖4. Li@LON與Bare Li負極循環(huán)后界面成分隨深度的變化表征結果。

【結論】

  綜上所述，本文首次構建了一種以低電子電導率的LiOH與LiNH₂為主要成分的超薄人工SEI膜，并將其成功應用于PVDF SPE/Li界面以抑制DMF與鋰金屬之間因電子轉移引起的一系列界面副反應。同時，LiOH與LiNH₂促進了[Li(DMF)_x]⁺的去溶劑化，降低了鋰離子沉積的界面阻抗。基于這兩種機制，Li@LON//Li@LON對稱電池與NCM811//Li@LON全電池極化電位降低，循環(huán)壽命提升，并且在較大面容量鋰離子沉積時仍然表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。這一設計為解決SPE/Li界面問題提供了新思路，為實現(xiàn)安全的新一代鋰金屬電池增添了可能性。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829724001570

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