近日，亿万先生MR资料基因组工程钻研院先进能源资料钻研所刘杨、郭炳焜团队结合江汉大学王德宇教授团队在国际驰名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上颁发题为“Binding FSI?to Construct a Self-Healing SEI Film for Li-Metal Batteries by In-situ Crosslinking Vinyl Ionic Liquid”的钻研论文。该工作采器拥有乙烯基的咪唑阳离子-双氟磺酰亚胺盐的离子液体（1-乙烯基-3-甲基咪唑双氟磺酰亚胺盐，VMI-FSI）与聚环氧乙烷（PEO）在锂金属表表进行原位的光聚合交联，形成一种拥有大分子阳离子骨架、约束FSI-阴离子建复剂的聚合物膜（V-film，如图1所示）。通过膜中FSI-阴离子与锂金属的化学反映和电解液中FSI-阴离子的电化学反映在锂金属负极产生大量不变的无机物，如LiF、Li₃N等，建复SEI膜的破损。

图1 本工作中构筑的人为SEI膜和作用机理示意图

拥有高比容量~3860 mAh g^-1和低还原电位-3.04 Vvs.SHE的锂金属一向被以为是高比能电池中梦想的负极资料。但其活跃的热力学和电化学性质，使其与电解液一接触就产生化学反映，在后续充放电过程中又产生一系列的电化学反映。上述反映形成了初始的SEI膜，但其在反复的锂沉积/剥离的过程中无法应对锂金属负极的体积变动，从而产生不成预防的机械破损。尤其是在大电流密度和长循环过程中，这种膜的不休分裂、分化和沉构，是造成锂金属负极库伦效能低和循环寿命短的沉要成分。拥有弹性的人为SEI膜可在肯定水平上应对此问题，但长循环过程中依然有锂枝晶的成长并刺穿SEI膜。因而，在负极表表构筑一种拥有自建复职能的SEI膜是耽搁锂金属负极寿命的必要战术。

在本工作中，作者设计了一种新鲜的拥有自建复职能的SEI膜，有效提高了锂金属电池的循环机能。鉴于FSI-阴离子能在锂负极上产生大量的不变无机组分如LiF和Li3N，可有效地钝化锂金属，合用作自建复剂；乙烯基阳离子通过聚合能够在负极上形成不变的SEI膜，且咪唑离子液体与电极拥有优良的相容性，因而选取VMI-FSI离子液体和PEO进行光聚合交联，形成聚合物阳离子框架，利用离子键约束FSI-的一种新鲜的自建复SEI膜。该自建复V-film膜利用在正极负载量为16.3 mg cm^-2的LiCoO₂/Li电池中，能使电池在3.0~4.5 Vvs.Li⁺/Li之间不变循环500周，仍有81.4 %的渣滓容量，均匀库伦效能高达99.97 %，累积面庞量达到 ~1240 mAh cm^-2（如图2所示）。

图2 LiCoO₂/Li全电池在(a-c)3.0-4.6 Vvs.Li⁺/Li领域内的循环机能，(d-f) 3.0-4.5 Vvs.Li⁺/Li领域内的循环机能

作者选取FTIR和XPS等步骤检测了所形成V-film膜的化学组成，揣摩了聚合反映的过程，钻研了锂金属与FSI-阴离子的自觉化学反映过程，证实了FSI-阴离子的自建复职能。通过尝试和理论的结合，揭示了在V-film表表有少量FSI-阴离子与PF₆-阴离子产生离子互换，互换后的FSI-阴离子通过电化学反映，在膜的表侧天生大量无机组分，加强SEI膜的不变性，同时建复膜的破损（如图3所示）。通过SEM结合电化学步骤CV、Tafel、EIS等，观察了V-film对Li⁺离子沉积行为和动力学的影响。最后测试了V-film在全电池中的电化学机能。

图3 (a)FSI-阴离子在膜内和电解液中的行为示意图，(b)FSI-阴离子与聚合物阳离子、溶剂化Li+离子和溶剂化层之间的作使劲比力，(c-j)V-film涂覆锂负极在分歧沉积量下的表表和截面的SEM图，(k-n) V-film涂覆锂负极的截面EDS图

该钻研成就于2024年2月份颁发于《Angewandte Chemie International Edition》上，论文第一作者为资料基因院2020级博士生秦银平，曾获得钻研生国度奖学金，校长奖学金和宝钢优良学生奖，共同通讯作者为刘杨副钻研员、郭炳焜教授和王德宇教授。

本文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202402456