▍研究背景

聚环氧乙烷（PEO）基全固态锂金属电池（ASSLMBs）在Li金属/电解质界面处，由于枝晶快速生长，尤其是在高倍率下，电池性能受到严重阻碍，这一问题源于循环过程中界面化学的不理想和Li⁺传输动力学差。

在此，清华大学深圳国际研究生院李宝华团队通过SnF₂催化形成了LixSny/LiF-Li₂O的亲锂-疏锂梯度固体电解质界面（SCG-SEI）。其中富离子LiF-Li₂O上层（17.1 nm）具有高界面能和快速的Li⁺扩散通道，而亲锂LixSny合金层（8.4 nm）能够显著降低成核过电位，降低扩散势垒，并促进电子快速传输，从而实现可逆的Li⁺电镀/剥离。同时，不溶的SnF₂配位的PEO促进了主体相中Li⁺离子的快速传输。因此，对称电池的寿命和临界电流密度分别提高了46.7倍和3.5倍。

此外，基于LiFePO₄的ASSLMBs在5 C倍率下表现出卓越的循环性能（超过1000次循环后保持80.0%的容量）。更重要的是，作者还展示了使用LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂和LiFePO₄软包电池在极端条件（如100℃）下的优异电化学性能和安全测试结果，进一步证实了亲锂-疏锂梯度界面化学在高倍率ASSLMBs设计中的重要性。

图1. 锂沉积/剥离的动力学分析

总之，该工作侧重于SnF₂添加剂在PEO基固态聚合物电解质（SPEs）中的双重功能作用，其有助于开发具有延长使用寿命的高倍率全固态锂金属电池（ASSLMBs）。

具体来说，在Li|SPE-5SnF₂界面处，由丰富的Sn²⁺原位催化形成紧凑的SCG-SEI，其中锂亲和性的LixSny层自发地占据底层，协同加速TFSI⁻的分解，导致疏锂的LiF/Li₂O上层形成。此外，不溶性的SnF₂配位的PEO极大地促进了体相中Li⁺的快速传输。因此，在高倍率或100℃下能够成功实现无枝晶的均匀锂沉积。

基于此，该种SCG-SEI化学特性使得电池具有高达2.8 mA/cm²的记录电流密度（CCD）和超过7000小时的可逆锂镀层/剥离循环。尤其是基于LFP的全电池在高倍率（5 C）下实现了1000次循环寿命，容量保持率为80.0%。因此，该研究展示了高倍率ASSLMBs的异质梯度SEI化学的有效设计。

图2. 全电池性能

SnF2-Catalyzed Lithiophilic–Lithiophobic Gradient Interface for High-Rate PEO-based All-Solid-State Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2024 DOI:10.1002/anie.202410347

文章来源：清新电源

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