构建卤化界面以实现高稳定性锂金属负极的最新进展

南大金钟教授ESM综述文章：构建卤化界面以实现高稳定性锂金属负极的最新进展

【文章信息】

构建卤化界面以实现高稳定性锂金属负极的最新进展

第一作者：王耀达

通讯作者：金钟*

单位：南京大学

【研究背景】

锂金属电池因其在改善能量密度方面的巨大潜力被认为是最有望取代传统锂离子电池而实现实际应用的新型储能装置。然而，由于不均匀的锂形核和沉积以及脆弱的原生固态电解质界面（SEI）层的形成，锂金属负极在实际工作过程中会不可避免地产生锂枝晶，这严重恶化了电池的电化学性能，甚至加剧了电池的安全风险。在众多稳定锂金属负极的策略中，合理构筑人工SEI层被认为是克服上述挑战的有效策略。而在众多报道的人工界面中，卤化界面因其在钝化活性锂表面、调节锂离子的扩散和迁移以及改善界面机械稳定性方面的突出优势而被广泛研究。

【文章简介】

近日，来自南京大学的金钟教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Recent Progress in Constructing Halogenated Interfaces for Highly Stable Lithium Metal Anodes”的综述文章。在这篇综述中，作者讨论了不同卤化物对锂金属负极稳定性和电化学性能的影响，并系统和全面地总结了构建卤化界面的新策略及其保护机制，同时还列举了目前针对锂负极/电解质界面的先进表征技术。最后，作者强调了有关合理设计和优化卤化界面仍存在的挑战和潜在机遇，并指出通过构建卤化界面以实现高稳定性锂金属电池的未来研究方向。

示意图1. 通过卤化界面构筑策略来提升锂金属负极稳定性的示意图。

【本文要点】

要点一：卤化界面的特点及优势

富卤化锂（LiF、LiCl、LiBr、LiI）的界面具有优异的化学稳定性，能有效钝化锂金属，防止其与电解液发生副反应造成活性物质的损失。卤化界面还具有高的界面能和低的锂离子界面扩散能垒，这保证了锂金属的沉积更加均匀，有效抑制了锂枝晶的形核和生长。此外，卤化界面还具有出色的机械稳定性，极高的杨氏模量和剪切模量能有效防止在锂沉积过程中界面的破坏，并为锂金属负极的长期稳定循环提供了支持。而对于卤化界面的锂离子电导率来说，虽然卤化物本身的锂离子体电导率极低，但界面中卤化物的引入将极大地增加界面层中晶界和相界面的含量，这将显著提升依赖于晶界和相界面传导锂离子的卤化界面的锂离子电导率。

要点二：富卤化锂（LiF、LiCl、LiBr、LiI）界面的构筑

构筑卤化界面作为一种有效的稳定锂金属负极的策略已被广泛研究。作者系统和全面地总结了卤化界面的构建方法，包括人工SEI的合理构筑、电解液工程、锂金属负极宿主材料的修饰以及隔膜功能化。这些方法已被普遍用于构建LiF、LiCl、LiBr、LiI等各类型卤化界面，并获得了不同程度的电池性能提升。此外，作者重点讨论了富LiF界面的功能性，并指出富LiF界面对于设计和制备高安全性、高操作电压和全温域锂金属电池的重要作用。

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要点三：针对锂金属负极/电解质界面的先进表征技术

界面的巧妙设计和精确构建离不开先进表征技术对于界面组成、结构和内部保护机制的探究。先进表征技术的不断进步使得科学地探索电极/电解质界面的固有特点和功能化机制成为可能。表征技术的发展也有助于全面地理解电极/电解质界面的形成，并指导界面结构的精确设计，这使其不再依赖经验和推测，而是更加科学和合理。此部分作者列举了目前针对锂负极/电解质界面的先进表征技术，包括冷冻电镜、原位X射线断层成像、荧光探测法和原位扫描电子显微镜技术等。

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要点四：总结与展望

该部分中，作者简要总结并提出了卤化界面构建中的一些仍存在的挑战和未来可能的研究方向。有关卤化界面的多元化构筑方法，作者认为相比于已被广泛研究的人工SEI层构筑和电解液工程，宿主材料修饰和隔膜功能化方法仍有较大的研究空间。有关多功能卤化界面的精确构建，作者认为研究人员有必要探索、分析和总结各种卤化物的物理化学性质，并结合理论计算和模拟以指导卤化界面的准确构建。

​有关克服卤化锂固有的低锂离子电导率对电池性能的影响，作者认为在构建卤化界面时可以考虑同时引入氮化锂、硫化锂等无机组分，这些成分不仅自身具有较高的锂离子电导率，而且可以增加卤化界面中的晶界和相界面从而显著提升界面的锂离子传输能力。有关进一步发挥卤化界面在稳定锂金属负极方面的作用，作者认为除了氟化界面，氯化界面、溴化界面和碘化界面需要被进一步深入研究。最大化卤化界面的功能对于提高锂金属负极的稳定性和促进锂金属电池的实用性具有重要意义。

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【文章链接】

“Recent Progress in Constructing Halogenated Interfaces for Highly Stable Lithium Metal Anodes”

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.10.054

【通讯作者简介】

金钟教授简介：

金钟，南京大学教授、博导、南京大学新材料与能源技术研发中心主任。2003年和2008年分别获得获北京大学学士和博士学位。2008-2014年先后在美国Rice大学和麻省理工学院开展博士后研究。2014年起任教于南京大学，先后入选了国家海外青年人才计划、优青、科技部创新人才推进计划、国家万人计划领军人才。担任江苏省化学化工学会理事、江苏省能源研究会储能专委会委员、《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nano Research》、《Chinese Chemical Letters》和《Journal of Electrochemistry》青年编委等学术任职。研究领域是清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和功能器件应用。

​已在Nature Chem.、Nature Commun.、JACS、Angew、AM等学术期刊发表SCI论文>200篇，他引>15000次，H因子>61。主持国家重点研发计划青年项目、装备预研教育部联合基金青年人才项目、JW科技委GF科技创新特区项目（4项）、国家自然科学基金、江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金、江苏省杰出青年基金等科研项目。获得了2021年国家自然科学奖二等奖(5/5)、Clarivate全球高被引学者和Elsevier中国高被引学者、江苏省科学技术奖三等奖(1/7)、2020年华为“紫金学者”人才基金、2018年教育部自然科学一等奖(4/7)、江苏省教育教学与研究成果二等奖(1/5)、江苏省首届创新争先奖状、江苏省双创人才、江苏省“六大人才高峰”高层次人才等奖励和荣誉。

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【第一作者介绍】

王耀达，南京大学化学化工学院博士生。

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【课题组介绍】

课题组主页： https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp

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【课题组招聘】

本课题组正在招募副研究员、博士后和研究生，热诚欢迎有志于新能源和新材料研究的青年人才加盟！