锂（Li）金属因其具有高的理论比容量（3860 mA h g−1）和最低的还原电位（与标准氢电极相比，-3.04 V），被广泛用于可充电电池负极，在满足日益增长的高比能储能设备需求方面展现出巨大的潜力。锂金属低的电化学还原电位使其与电解质非常容易发生电化学反应，尤其是与碳酸酯类电解质。该电化学反应产物会自发在锂负极表面形成一层固体电解质界面（SEI）钝化层，用于阻止与电解质进一步发生副反应。然而，自发形成的SEI通常不均匀且不稳定，这种界面不稳定性导致锂离子（Li+）沉积不均匀，SEI层持续开裂或分层，进一步使新鲜的锂与电解质接触，不断消耗电解质，促进锂枝晶的生长。最终，锂枝晶不可控的生长和电解质的持续消耗导致库仑效率（CE）降低和容量损失加速，从而引发电池故障和严重的安全问题。
DSE/Li负极锂成核和生长过程的示意图
近日，西安交通大学丁书江教授和新加坡国立大学林志群教授提出了一种利用动态超分子弹性体（DSE）界面层的策略，该界面层能够被锂金属还原，自发形成强的Li+离子–偶极作用，从而增强锂金属负极与碳酸酯电解质的界面稳定性。DSE结构中的软相通过松弛配位的Li+–O相互作用实现快速的Li+传输，而富含负电性亲锂位点的硬相促使具有快离子导电固体的SEI组分形成，包括Li3N和Li2S，诱导Li+均匀沉积，抑制锂枝晶生长。由软相和硬相组成的强韧DSE网络保护锂金属负极免受电解质腐蚀，并自适应循环过程中的体积变化。因此，覆有DSE界面层的对称Li||Li电池在不同电流密度及面容量下均能长期稳定运行。更重要的是，由DSE/Li负极与LiFePO4（LFP）或高压LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）组成的全电池，即使在有限锂负极（40 μm）和超高负载NMC811正极（21.5 mg cm–2）的严苛条件下，均表现出高效的锂沉积和循环稳定性。凭借低成本的材料和简单的制备方法，本研究中开发的DSE保护层为锂金属电池的实用化提供了一条颇具前景的解决途径。
DSE/Li负极的制备及结构表征
DSE界面层稳定锂负极的机理分析
上述研究成果以《动态超分子弹性体界面层促使的锂离子-偶极子相互作用实现无枝晶锂金属负极》(Li+Ion-Dipole Interaction-Enabled a Dynamic Supramolecular Elastomer Interface Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes)为题近期发表在《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上。西安交通大学化学学院为第一通讯单位，第一作者是西安交通大学陈晶博士（现为新加坡国立大学博士后），西安交通大学化学学院丁书江教授和新加坡国立大学林志群教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、陕西省科技创新团队以及西安交通大学分析测试共享中心的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c08766
丁书江教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/dingsj
