隨著無人機(jī)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，對高能量密度電池的需求日益迫切。傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度已接近極限，難以滿足長航時(shí)要求。鋰金屬電池雖具有突破500 Wh kg?1的潛力，但其實(shí)際應(yīng)用受限于循環(huán)過程中容量的快速衰減。這一問題的根源在于鋰金屬負(fù)極上固體電解質(zhì)界面（SEI）的機(jī)械不穩(wěn)定性——在鋰沉積/剝離導(dǎo)致的體積反復(fù)變化下，脆弱的SEI不斷破裂與再生，持續(xù)消耗活性鋰和電解質(zhì)，最終導(dǎo)致電池失效。

近日，北京理工大學(xué)黃佳琦教授、張學(xué)強(qiáng)預(yù)聘助理教授研究提出并通過原位聚合聚硅氧烷來粘合SEI中的無機(jī)納米顆粒，從而構(gòu)建了一種內(nèi)聚力強(qiáng)的SEI納米結(jié)構(gòu)，顯著提升了其機(jī)械穩(wěn)定性。該策略采用六甲基環(huán)三硅氧烷（CTS）作為電解液添加劑，其在鋰金屬表面原位聚合生成的聚硅氧烷猶如“納米膠水”，牢牢粘合了SEI中原本松散的無機(jī)組分（如LiF）。這使得SEI的彈性模量提升了109%，能夠更好地適應(yīng)負(fù)極體積波動(dòng)，抑制SEI開裂。在實(shí)際測試條件下，采用該“粘合SEI”（G-SEI）的鋰金屬紐扣電池循環(huán)壽命從常規(guī)SEI（R-SEI）的183周延長至320周。更令人矚目的是，一個(gè)能量密度高達(dá)505 Wh kg?1的 prototype 軟包電池實(shí)現(xiàn)了175次循環(huán)，并展現(xiàn)出優(yōu)異的高倍率放電能力，成功為微型無人機(jī)供電，標(biāo)志著鋰金屬電池向?qū)嵱没~出關(guān)鍵一步。相關(guān)論文以“In Situ Polymerized Polysiloxane Enables Cohesive Solid-Electrolyte Interphase for Practical Lithium-Metal Batteries”為題，發(fā)表在

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研究通過理論計(jì)算與模擬揭示了CTS在鋰金屬表面的開環(huán)聚合機(jī)制。密度泛函理論計(jì)算表明該過程在熱力學(xué)上有利，而大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬則直觀展現(xiàn)了CTS快速聚合成長鏈聚硅氧烷的過程（聚合度可達(dá)10-40）。還原電位計(jì)算確定了電解液各組分的還原順序，確保了LiF優(yōu)先形成，隨后CTS聚合，這一序列在界面模擬中得到復(fù)現(xiàn)�？臻g分布模擬圖清晰地顯示，聚合產(chǎn)生的聚硅氧烷填充了LiF納米顆粒之間的空隙。

圖1 | 常規(guī)SEI（R-SEI）與膠合SEI（G-SEI）在適應(yīng)鋰沉積引起體積變化時(shí)的示意圖。（a）R-SEI因無機(jī)組分間內(nèi)聚力弱，機(jī)械穩(wěn)定性差，在負(fù)極體積顯著變化時(shí)易破裂。（b）G-SEI通過原位聚合的六甲基環(huán)三硅氧烷（CTS）在納米尺度上粘合無機(jī)組分，增強(qiáng)顆粒間內(nèi)聚力，從而提升機(jī)械韌性，有效抑制SEI開裂并減少持續(xù)再生。

為了直觀驗(yàn)證“粘合”效果，研究人員以大尺寸LiF顆粒模擬SEI中的無機(jī)組分進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過彎曲和敲擊測試，在含CTS的溶液或電解液中形成的模型SEI，其表面的LiF顆粒因聚硅氧烷的粘附作用而保持完整；反之，在不含CTS的條件下，LiF顆粒則完全脫落。掃描電鏡圖像和X射線光電子能譜分析直接證實(shí)，聚硅氧烷確實(shí)填充并粘合了LiF顆粒間的孔隙。

圖2 | G-SEI的形成機(jī)制。（a）REACTER分子動(dòng)力學(xué)模擬中CTS聚合的反應(yīng)模板。（b）DFT計(jì)算的DME、CTS和FSI?的還原電位。（c）REACTER模擬中CTS衍生產(chǎn)物的聚合度。（d）CTS聚合產(chǎn)物與LiF的空間分布。（e）含CTS模型中Si?、C?、O?碎片的ToF-SIMS疊加圖譜。（f）模型R-SEI與（g）模型G-SEI經(jīng)彎曲、敲擊后的光學(xué)圖像。（h）模型R-SEI與（i）模型G-SEI的SEM圖像，顯示CTS聚合產(chǎn)物粘合LiF顆粒。

對真實(shí)電池體系中形成的SEI進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，G-SEI比R-SEI更薄、更均勻。冷凍透射電鏡和X射線光電子能譜證實(shí)了聚硅氧烷（特征Si-O-Si鍵）均勻分布于整個(gè)SEI中。原位電化學(xué)原子力顯微鏡觀測了SEI的形成過程，并測量了其機(jī)械性能。結(jié)果顯示，G-SEI的平均彈性模量高達(dá)2.3 GPa，是R-SEI（1.1 GPa）的兩倍以上，這直接歸功于聚硅氧烷對無機(jī)顆粒的有效粘合，形成了堅(jiān)固的內(nèi)聚結(jié)構(gòu)。

圖3 | G-SEI的結(jié)構(gòu)、成分與力學(xué)性能。（a）G-SEI的冷凍TEM圖像。（b）G-SEI中硅分布的EDS元素圖譜。（c）G-SEI在不同濺射時(shí)間下的XPS Si 2p譜圖。（d）R-SEI與（e）G-SEI在0.4 V下的EC-AFM圖像。（f）R-SEI與（g）G-SEI在0.4 V下的DMT模量分布圖。（h）R-SEI與G-SEI的DMT模量分布對比。

性能測試結(jié)果令人振奮。采用高負(fù)載正極和薄鋰負(fù)極的紐扣電池，在G-SEI的保護(hù)下循環(huán)壽命提升75%。沉積的鋰金屬形貌更均勻致密，死鋰層更薄。界面阻抗分析表明，G-SEI雖然略微增加了SEI本身的電阻，但顯著降低了電荷轉(zhuǎn)移阻抗，這得益于死鋰積累的減少，從而大幅降低了總界面阻抗，有利于延長循環(huán)壽命。研究進(jìn)一步制備了能量密度達(dá)505 Wh kg?1的5.1 Ah軟包電池，在苛刻的貧電解液條件下穩(wěn)定循環(huán)175次，性能優(yōu)于此前多數(shù)報(bào)道。

圖4 | 膠合SEI在實(shí)際鋰金屬軟包電池中的性能。（a）紐扣電池循環(huán)性能對比。（b–e）鋰沉積形貌SEM圖像。（f）界面阻抗演變。（g）軟包電池循環(huán)穩(wěn)定性與（h）容量保持率。

為驗(yàn)證其在實(shí)際高功率場景下的適用性，研究團(tuán)隊(duì)模擬無人機(jī)飛行的苛刻放電協(xié)議（包含5C起飛、1C懸停、5C降落階段）對軟包電池進(jìn)行測試。采用G-SEI的電池循環(huán)120次后容量保持率達(dá)78.2%，其高倍率性能在同類高能量密度電池中處于領(lǐng)先地位。最終，該電池成功作為唯一電源集成到微型無人機(jī)中，完成了完整的起飛、懸停、降落飛行過程，證明了其卓越的實(shí)用化潛力。

圖5 | 用于微型無人機(jī)應(yīng)用的鋰金屬軟包電池高倍率放電性能。（a）微型無人機(jī)飛行操作示意圖。（b）模擬無人機(jī)功率需求的苛刻放電協(xié)議。（c）循環(huán)穩(wěn)定性與（d）第5周電壓曲線。（e）與以往研究的>400 Wh kg?1鋰金屬軟包電池高倍率性能對比。（f）微型無人機(jī)平臺(tái)技術(shù)參數(shù)。（g）系統(tǒng)集成示意圖與（h）由G-SEI軟包電池供電的無人機(jī)操作照片。

這項(xiàng)研究成功展示了一種通過原位聚合聚硅氧烷粘合SEI無機(jī)納米顆粒來增強(qiáng)其機(jī)械穩(wěn)定性的通用策略。所構(gòu)筑的G-SEI能有效抑制SEI破裂與再生，減少活性物質(zhì)消耗，從而顯著提升了鋰金屬電池在實(shí)際條件下的循環(huán)壽命和高倍率性能，并在無人機(jī)供電演示中展現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可行性。該工作為開發(fā)耐用、高能量密度的鋰金屬電池開辟了新途徑。