圖1.PFPE油滴策略說明，及其潤濕性和穩(wěn)定性實驗

圖2.鋰銅非對稱電池的電化學(xué)性能、鋰在銅表面的沉積形貌和沉積演化

圖3.基于電化學(xué)阻抗的界面分析

圖4.界面層組分的XPS分析和NMC811電池性能

為了滿足下一代高比能電池的能量密度要求，具有高理論容量和低電化學(xué)電位的鋰金屬是未來可充電池（如Li-S和Li-FeF₃）的理想負極。然而，負極鋰枝晶不可控生長引起的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定、循環(huán)過程中鋰的體積膨脹以及“死鋰”的產(chǎn)生、電池短路等問題，阻礙了鋰金屬電池（LMBs）的發(fā)展。自從采用LiF作為電解液添加劑增強SEI性能以來，鋰金屬電池的循環(huán)壽命和庫侖效率（CE）得到有效提高，這使得富氟材料受到特別關(guān)注。同時，氟原子具有強的吸電子性，氟摻雜還可擴大電解質(zhì)的最高已占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）之間的差距，促進電解質(zhì)的抗還原能力。因此，一些策略聚焦于誘導(dǎo)SEI中氟元素的富集以改善鋰金屬電池的性能，但目前的氟化策略仍面臨一些問題，例如，含F(xiàn)的鋰鹽或添加劑必須降解或消耗，方能釋放出足夠含量的F，如此便造成了含F(xiàn)鋰鹽和添加劑的不可逆損失，如果沒有后續(xù)補充，電池性能將不可避免地衰減。此外，用氟化劑在鋰金屬表面進行LiF層構(gòu)建的方法通常需要額外的制備工序，這在一定程度上會增加大規(guī)模應(yīng)用的成本，同時在表面氟化過程中可能會釋放出有毒氣體（F₂或HF），環(huán)境條件要求嚴格。

基于目前含氟電解液添加劑和表面氟化策略面臨的問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團隊提出了一種“非消耗性”和“可流動性”氟化界面的新概念，通過將一種全氟聚醚（PFPE）油滴分散到電極表面，以調(diào)控鋰離子沉積行為和穩(wěn)定鋰金屬負極。與通常分散在電解液并在循環(huán)過程中被消耗的添加劑不同，該油滴可作為液體聚合物界面改性劑，與鋰負極和電解液接觸均不具有反應(yīng)性（非消耗性），從而可在不降級鋰離子擴散率的條件下，持久地保護鋰負極，免于其與電解液發(fā)生副反應(yīng)，減少鋰鹽的損耗。相關(guān)研究成果發(fā)表在Energy & Environmental Science上。

該富含C-F基團的PFPE（(CF(CF₃)CF₂O)_x(CF₂O)_y）具有極性、低摩擦系數(shù)、良好潤滑性、低表面能和高化學(xué)惰性等特點，可實現(xiàn)油滴對鋰金屬的“動態(tài)”分層鋪設(shè)保護，并作為異相成核位點，可顯著降低鋰鍍層的成核過電勢（10mV，1mAcm^-2）。該種油滴的低表面能有利于C-F結(jié)構(gòu)單元在鋰負極表面的分散吸附以及抑制隨后電沉積過程中的鋰枝晶生長，由于其出色的可鋪展性，極少量的PFPE油滴即可產(chǎn)生顯著的穩(wěn)定鋰負極形變的效果。鑒于氟化油滴的優(yōu)異流動性和惰性，其易填充到金屬電極表面凹低處以覆蓋不平坦的鋰-電解質(zhì)界面，實現(xiàn)鋰沉積過程中電極表面“熱點”（hot-spots）區(qū)域的動態(tài)愈合，這一填充行為不降級鋰離子滲透性和鋰成核動力學(xué)。在電化學(xué)過程中，PFPE中間層可以很好地分隔電解液和鋰負極，能夠靈活變形以適應(yīng)鋰的沉積形態(tài)，從而為新形成的SEI提供進一步保護。在SEI表面修飾富含C-F的官能團有利于提高其LUMO能級，在電場作用下，鋰表面附近的PFPE分支的邊緣區(qū)域可碎裂以促進C-F和Li-F成分的界面富集，增強SEI的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性和電化學(xué)穩(wěn)定性，從而有利于鋰電鍍層的致密化（從馬賽克鋪磚堆疊到無枝晶的緊密互連的網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)）。這一氟化流體策略有助于顯著提高NMC811/Li等全電池的循環(huán)壽命（超過700個循環(huán)）和倍率性能（高達10C）。該研究通過使用不混溶的氟化液體中間層作為永久性調(diào)節(jié)劑，為實現(xiàn)高性能鋰金屬電池提供了新途徑。

上海硅酸鹽所在讀博士生楊啟凡為論文第一作者。研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。