近日，北京化工大学材料科学与工程学院的曲晋副教授与于中振教授、李晓锋教授合作，在Angewandte Chemie International Edition期刊上发表题为“In-situ Constructing A Heterogeneous Layer on Lithium Metal Anodes for Dendrite-free Lithium Deposition and High Li-ion Flux”的学术论文，利用原位构建非均相保护层的策略，有效调控锂离子扩散和沉积，实现高效的无枝晶沉积过程，获得优异的电化学性能。

锂金属负极由于其超高的理论比容量和极低的电极电位引起了研究者的广泛关注。尽管锂金属电池有望满足现代社会日益增长的能源需求，但锂金属与电解液的副反应、死锂生长堆积的不可逆，乃至锂枝晶不可控生长引发的安全问题等，仍限制了锂金属负极的商业化应用。该工作以层状硅酸锌为原料，通过其和Li金属的原位反应转化，构建了一种致密的非均相人工SEI膜。亲锂Zn金属和Li_xZn_y合金均匀但不连续地分散在由Li_xSiO_y、Li₂O和LiOH组成的连续Li⁺导体中，因而具有电子绝缘但锂离子传导的特征，其可有效并持续调节Li⁺通量和加速电化学反应动力学过程，实现了高效的锂离子传输和均匀的锂沉积。

层状硅酸锌纳米片的自发面面堆积保证了原位反应获得的人工SEI层具有致密结构，锌金属、锂-锌合金、硅酸锂、氧化锂和氢氧化锂等组分在构建非均相保护层的同时，仍保持了纳米片的形貌，从而获得多种锂离子传输途径。通过电化学表征和有限元模拟分析，表明了非均相层有助于溶剂化锂离子的脱溶剂化，缓解沉积界面的浓差极化，并降低锂金属成核能垒，从而获得较高的锂离子转移数和快速的电化学反应动力学。

此外，人工SEI膜作为物理屏障可以避免Li金属与电解质的副反应，并通过物理阻隔作用抑制Li枝晶的过度生长。因此，有保护层的锂金属负极在多次循环后，仍具有无枝晶锂沉积的形态，从而可以避免短路等安全事故。进一步的研究表明，受内部电场极化的Zn和Li_xZn_y可以通过静电作用促进Li⁺取向传输，增强动力学过程。

简言之，得益于由Li_xSiO_y、Li₂O和LiOH组成的连续Li⁺导体的脱溶剂化作用和锂传导作用，Zn金属和Li_xZn_y合金的极化诱导作用和在沉积界面的亲锂性，以及整个非均相层的物理阻隔作用，使得受保护的锂金属负极与裸锂负极相比，不仅在对称电池中可以实现低极化和长循环寿命，而且在全电池中仍可实现优异的电化学性能。

这项工作表明，具有均匀但非连续分散组分的层状结构衍生的人工SEI膜对于开发下一代高能量密度、高稳定性的金属电池具有巨大潜力，也为同类型高效储能的先进碱金属负极提供了新的研究视角。

论文信息：

本文第一作者为博士研究生刘洪俊，曲晋副教授为本文通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

文章信息：Hong-Jun Liu, Cheng-Ye Yang, Mei-Chen Han, Chun-Yu Yu, Xiaofeng Li, Zhong-Zhen Yu, Jin Qu*. In-situ Constructing A Heterogeneous Layer on Lithium Metal Anodes for Dendrite-free Lithium Deposition and High Li-ion Flux, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202217458.

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202217458