Angew. Chem. ：基于分子编织技术的人工固体电解质界面

近日，浙江大学化学系黄飞鹤教授、李光锋研究员和浙江工业大学陶新永教授在锂金属电池界面层领域取得重要突破，相关研究成果以“Molecularly woven artificial solid electrolyte interphase”为题在线发表于德国应用化学。该论文们将新兴的晶态分子编织聚合物用于制备人工固体电解质界面（ASEI）层，来抑制锂金属电池中锂枝晶的生成。文章的第一署名单位为浙江大学化学系，浙江大学专职研究员单天宇、温州大学居治金教授、浙江大学肖丁博士和浙江工业大学博士生岳苛为本文共同第一作者，浙江大学黄飞鹤教授、李光锋研究员和浙江工业大学陶新永教授为本文共同通讯作者。

随着全球储能市场的爆发式增长，产生了对高能量密度锂电池日益迫切的需求。在这个背景下，锂金属负极因具有极低氧化还原电位和超高理论比容量而受到广泛关注。但锂金属电池（LMBs）容易发生不均匀沉积而形成枝晶，造成电池短路等安全问题。为抑制锂枝晶的生成，在锂金属负极表面构建人工固体电解质界面（ASEI）层是其中最高效的方法之一。理想的ASEI层需要同时兼顾高机械强度、高韧性、高离子电导率、快速均匀的离子传输通道，同时还需要超薄厚度且不导电。这些特性各自对抑制锂枝晶具有显著效果，但如何将这些特性集成到单一材料中一直是该领域的终极目标，至今尚未实现。

新兴的分子编织技术可用来制备超薄的二维编织聚合物。通过聚合物链段的有序缠结，在分子尺度上赋予材料卓越的力学性能和均匀的埃级离子通道。同时，借助聚合物易修饰的优势，可按需将功能位点均匀地引入分子编织聚合物中。因此，二维编织聚合物是锂金属电池理想的ASEI材料，具有以下优势：a) 原子级厚度能有效缩短离子传输路径；b)编织聚合物中经纬线链段的协同作用赋予其优异的应力自适应性，既能限制枝晶生长，又能保障电化学循环中的机械稳定性；c) 编织拓扑结构形成的埃级离子通道，可促进去溶剂化过程，实现锂离子快速、均匀沉积。

在该工作中，作者们报道了二维编织聚合物 (WPN)的制备及在锂金属电池ASEI中的应用（图1）。WPN构建的ASEI层表现出卓越的机械强度、韧性、锂离子传导性，并具有微米级厚度和电子绝缘性。以磷酸铁锂为正极的全电池（正极容量3.0 mA h cm^-2, N/P = 3.3, 1 C）在循环270圈后保持了98%的高容量，及99.9%的库伦效率。

图1. 二维编织聚合物的合成及锂金属电池应用示意图

作者们通过DFT模拟及具有耗散因子检测的电化学石英微天平（EQCM-D）测试证实了WPN内部的锂离子通道及其脱溶剂化作用，还促进了Li₃N的形成及对天然SEI在尺寸及空间分布上的调控（图2）。

图2. WPN中的锂离子传输路径及对天然SEI的调控作用

最后，作者们通过对称电池、半电池、全电池等测试，验证了WPN界面层对锂金属电池长期循环稳定性的显著提升作用（图3）。

图3. WPN界面层对锂金属电池长期循环稳定性的提升作用

该工作重点研究了将二维编织聚合物作为锂金属电池的人工固体电解质界面层，来抑制锂枝晶的生成。利用编织拓扑结构赋予的卓越机械性能和离子通道，实现快速、均匀的锂离子传输，并精确控制天然固体电解质界面的成分、尺寸和分布，协同提升了锂金属电池的循环稳定性。此外，该工作展示了具有特殊拓扑结构的超分子聚合物在高比能二次电池中的应用潜力，在未来有可能成为新的研究热点。

论文信息

Molecularly Woven Artificial Solid Electrolyte Interphase

Dr. Tianyu Shan, Prof. Zhijin Ju, Dr. Ding Xiao, Ke Yue, Dr. Zhenxing Cui, Yifei Zhang, Prof. Xiaodong Chi, Prof. Xiulin Fan, Prof. Guangfeng Li, Prof. Xinyong Tao, Prof. Feihe Huang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202505056