研究背景

随着无人机等领域的快速发展，对高比能电池的需求日益迫切。金属锂电池凭借其高能量密度优势，在这些领域展现出巨大应用潜力。无人机实际工况对电源系统提出了较高要求，需要电池同时具备高能量密度、高放电倍率和长循环寿命等综合性能。然而，金属锂电池的实际应用仍面临长循环稳定性的挑战，其核心瓶颈在于不稳定的固态电解质界面膜（SEI）。在电池循环过程中，金属锂负极会发生显著的体积形变，尤其是在高倍率放电条件下，常规SEI结构较为脆弱，在反复的锂沉积/脱出过程中容易破裂并不断重构，导致活性锂和电解液的持续消耗，进而引发电池容量快速衰减和循环寿命缩短。因此，如何提升SEI的机械稳定性，以减少其在循环过程中的破裂与重构，成为当前亟待解决的关键问题。近期研究提出的有机-无机双层SEI策略，尝试通过在SEI表层构建高模量有机层来提升整体机械稳定性。然而，该策略未能从根本上解决SEI内部无机颗粒之间粘结力较弱的问题，从而制约了SEI机械性能的进一步提升。由此可见，增强SEI无机组分之间的粘结力，对于提升SEI的机械稳定性具有至关重要的意义。

工作简介

近日，北京理工大学黄佳琦、张学强提出原位粘结SEI结构提升SEI机械稳定性的策略，以提升500 Wh/kg金属锂电池循环寿命，实现高倍率放电性能。通过理论计算与实验验证揭示了粘结SEI的形成机制及其稳定金属锂负极的作用机理。通过引入六甲基环三硅氧烷（CTS）作为电解液添加剂，利用其原位聚合的产物聚硅氧烷作为纳米级粘结剂，将SEI的无机纳米颗粒紧密粘结，从而构筑粘结SEI（图1）。这一策略显著增强了SEI的机械稳定性，其弹性模量提升至2.3 GPa，是常规SEI的2.1倍。基于粘结SEI，金属锂纽扣电池循环寿命提升75%，从183圈延长至320圈；制备的5.1 Ah软包电池实现了505 Wh/kg的高能量密度和175次的稳定循环。此外，针对无人机的实际工况开发了特殊的高倍率放电程序，基于该策略的金属锂软包电池具有120圈的循环寿命。此外，该软包电池成功应用于微型无人机，完成了起飞、悬停、降落的完整飞行测试，展现了卓越的实用化能力。该工作以“In Situ Polymerized Polysiloxane Enables Cohesive Solid-Electrolyte Interphase for Practical Lithium-Metal Batteries”为题发表于Advanced Materials。北京理工大学王雅楠和苏州大学刘越博士为本论文共同第一作者，本工作得到中科院化学所文锐研究员、苏州大学程涛教授的大力支持。

图1 （a）常规SEI（R-SEI）和（b）粘结SEI（G-SEI）的示意图。

图文导读

图2 粘结SEI（G-SEI）的形成机制。

为深入理解CTS的聚合过程与粘结SEI的形成机制，研究结合理论模拟与实验表征进行系统阐释（图2）。计算表明，CTS在金属锂的引发下开环聚合，可快速形成高分子量聚硅氧烷。模拟进一步揭示了电解液各组分的还原顺序，确保了优先形成LiF，随后CTS聚合，聚硅氧烷能狗填充在无机颗粒间隙。实验上，研究团队设计了一系列模型实验进行直观验证。使用大尺寸LiF颗粒模拟SEI无机组分来构建模型SEI。弯曲和敲击测试显示，得益于聚硅氧烷的强粘结作用，锂箔表面的LiF颗粒得以保持良好的结构完整性，而不含CTS的体系中LiF颗粒则完全脱落。SEM和ToF-SIMS表征直接证实了聚硅氧烷均匀分布于LiF颗粒之间，具有关键的粘结作用。

图3 粘结SEI（G-SEI）的结构、组成和机械性能。

通过Cryo-TEM和XPS对SEI结构和组成进行了表征（图3）。粘结SEI具有更均匀的结构和更薄的厚度（15.1 nm），聚硅氧烷的特征Si元素在整个SEI中均匀分布。此外，利用EC-AFM测试了SEI的机械性能，结果显示，粘结SEI的平均DMT模量高达2.3 GPa，最大模量达4.4 GPa，是常规SEI的DMT模量的2倍以上。这种SEI机械稳定性的显著提升，归因于聚硅氧烷对SEI无机颗粒的强粘结效果。

图4 实用化条件下金属锂电池的性能对比。

在实际电池体系中，采用粘结SEI的Li | NCM523纽扣电池实现了320圈的稳定循环，远超常规SEI的183圈（图4）。同时沉积锂形貌更均匀致密，死锂层厚度减少26%，界面阻抗有效降低，这源于非活性锂积累的减少，极大改善了界面动力学。在苛刻的实用化参数（高载量正极、超薄锂负极、贫电解液）下，采用粘结SEI的5.1 Ah金属锂软包电池的能量密度高达505 Wh/kg，稳定循环175圈。

图5 金属锂软包电池的高倍率放电性能。

为验证粘结SEI电池在真实高功率场景下的适用性，团队将其集成至微型无人机作为唯一动力源（图5）。设计了模拟无人机工况的高倍率放电程序进行测试，结果显示，采用粘结SEI的金属锂软包电池在120圈稳定循环后，容量保持率仍达78.2%，其平均和最大放电功率密度分别达到411 W/kg和1764 W/kg。此外，成功实现了无人机的完整自主飞行。

总结展望

本研究针对SEI无机颗粒之间粘结力较弱制约SEI机械性能提升的问题，提出了一种简单高效的原位粘结SEI策略。通过引入CTS添加剂，利用其聚合生成的聚硅氧烷对SEI无机组分进行原位粘结，构筑了粘结SEI纳米结构，旨在提升金属锂电池在长循环中的SEI机械稳定性。结合理论模拟与实验表征，系统阐明了粘结SEI的形成机制、组分结构与力学特性。结果表明，该SEI的平均DMT模量提升至常规SEI的2.1倍，有效缓解了负极在循环中大体积形变引起的SEI破裂与重构，从而减少了活性锂与电解液的持续消耗，显著增强了锂金属电池的长循环稳定性。此外，基于该粘结SEI策略，成功实现了高放电倍率金属锂软包电池稳定循环120圈，并成功实现了无人机的完整自主飞行，验证了其在实际应用中的潜力。这项研究为设计下一代高能量密度、高放电功率、长寿命金属锂电池提供了界面稳定新思路。

文献链接

Wang, Y.-N.; Liu, Y.; Zhang, X.-Q.; Sun, S.-Y.; Li, Y.; Li, J.-L.; Zhang, Q.-K.; Zheng, Z.; Feng, W.-J.; Li, B.-Q.; Cheng, T.; Wen, R.; Huang, J.-Q., In Situ Polymerized Polysiloxane Enables Cohesive Solid-Electrolyte Interphase for Practical Lithium-Metal Batteries. Adv Mater 2025, e19565.

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202519565

文章来源：锂电联盟会长

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