鋰離子電池推動著行動式電子裝置和電動汽車的發展，但電動汽車續航里程仍不能滿足人們的出行需求，具有更高能量密度（3860 mAh g-1）和低還原電位（-3.04 V，標準氫電極）的鋰金屬電池引起人們廣泛的關注。然而，不均勻的鋰沉積導致了鋰枝晶的形成和較低的庫侖效率，嚴重阻礙了鋰金屬電池的實際應用。
近日，南京大學現代工學院提出了在鋰金屬上利用多環芳烴（PAHs）原位構建π-π堆積的有機-無機雜化層作為人工固態電解質介面（SEI）膜策略。
這項工作透過引入了烷基鏈以增加 PAH的溶解度，並最終透過與鋰金屬的原位反應打斷烷基鏈，原位生成了平行π-π堆疊的二羥基蒽酮紫（DHV，一種多環芳烴）分子構築的人工SEI膜, 從而得到 DHV 保護的鋰金屬負極。 使用傅立葉變換紅外光譜、氣相色譜、XPS深剖等分析手段對反應機理和SEI膜構成進行了深入研究。原位形成的雜化的人工SEI膜可以為鋰金屬提供機械支撐並抑制鋰枝晶的形成，防止了電解質的分解，顯著改善了鋰金屬負極的庫倫效率和迴圈效能。使用DHV保護的鋰金屬的對稱電池可以在 4 mA cm-2和4 mAh cm-2下迴圈 1000 小時，顯示出優異的迴圈效能和2000 mAh cm-2的高容量累積。透過與高負載 LiFePO4正極（2.8 mAh cm-2）和低 N/P =2 的DHV保護的鋰金屬（30 μm）匹配的全電池，可實現 300 圈的長迴圈效能，每圈約0.03%的較低容量衰減率和 99.8% 的高庫倫效率。 此項工作為在分子尺度上使用其他功能化的多環芳烴，應用於鋰金屬負極形成穩定的有機-無機雜化人工SEI膜，提供了一種啟示。原位合成人工SEI策略也適應於實際情況下鋰離子電池的工業化應用，併為解決鋰和其他金屬負極枝晶問題提供契機。
圖 1. 鋰沉積過程和 SEI膜形成示意圖：(a) PAHs 和混合 SEI膜的形成過程示意圖；(b)空白組，鋰金屬在銅箔上枝晶生長的示意圖；(c) VO79和Li反應機理
圖 2. 鋰負極表面的形態分析。 (a, c) 不同電解質中鋰沉積形態的俯視和 (b, d) 橫截面 SEM 影象：(a, b) 裸鋰，(d, e) DHV-Li
圖 3. 裸鋰和 DHV-Li 電極的電化學特性。(a) 在 0.5 mA cm-2和 1 mAh cm-2的不同電解液中充放電過程中鋰的庫倫效率，透過充電至 1.0 V vs Li+/Li 的截止電壓來電沉積鋰；(b) 在 0.5 到 5 mA cm-2的不同電流密度下的倍率效能；(c) EIS圖譜；(d) 4 mA cm-2和4 mAh cm-2；(e) 0 ℃ 5 mA cm-2和1 mAh cm-2和 (f, g) 0.5 mA cm-2和 1 mAh cm-2處的時間-電壓曲線
以上成果以In Situ Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons as an Artificial Hybrid Layer for Lithium Metal Anodes為題發表在國際期刊Nano Letter，。論文的第一作者為南京大學現代工程與應用科學學院2020級博士生昌紹忠，通訊作者為南京大學現代工程與應用科學學院的張會剛、李愛東教授和美國阿貢國家實驗室陸俊、Khalil Amine教授。
本工作得到了國家自然科學基金(52073142, 51721001, 22075131，51802150)、江蘇省自然科學基金(BK20201252)等專案的支援。同時，本工作得到南京大學化學化工學院成義祥教授和現代工學院胡勇教授的幫助。
