**研究概覽**

鋰金屬電池（LMBs）展現出了超過400 Wh kg^?1^高能量密度的發展潛力，因此被優先考慮作為下一代儲能設備。然而，不可控的枝晶生長、難以捉摸的界面化學和不穩定的固體電解質界面（SEI）極大地威脅了LMBs的安全性和耐久性，阻礙了其市場化應用。由于結構的可調性，有機分子表現出構建人工SEI的非凡能力，這有利于清晰化界面化學，誘導Li金屬的形核和沉積。此外，一些基于聚合物有機分子的先進SEI具有高的機械強度和均勻的成分，可顯著抑制枝晶的過度生長，最大限度地減少LMBs的安全隱患。因此，基于分子工程策略構筑SEI是實現高能量密度，長壽命和高安全性LMBs的重要技術。

近日，南京大學郭少華、周豪慎教授團隊全面總結了多種有機分子，包括聚合物、含氟分子和有機硫分子，并深入剖析了如何構建用于LMBs的相應的彈性、富氟和含有機硫的SEI。一些有針對性的案例結合獨特的觀點被深入討論來揭示有機分子衍生SEI的進化機制。此外，作者亮點了有機分子衍生SEI的研究思路，并提出了選擇有機分子的具體原則。最后，作者指出了基于有機分子工程的LMBs未來實際應用的挑戰、策略和前景。總的來說，這篇綜述為構筑有機分子衍生的SEI提供了設計指南，并將激勵更多的研究人員專注于開發具有高安全性、高能量密度和長耐久性的LMBs。

研究亮點

全面總結了具有彈性、富氟和含有機硫的SEI的設計。

提出了用于構筑SEI的有機分子的選取原則。

深入剖析了多種有針對性的案例。

展望了未來高安全性、高能量密度和長壽命LMBs的發展。

研究內容

有機分子的選取原則：為了方便研究人員選擇合適的有機分子，作者總結并提出了一些選擇原則，如下所示：1）所選的有機分子需要易于分解并有效釋放所需元素。有機分子可以有效地參與SEI組成的構建和調節，確保Li ^+^ 通量均勻地通過SEI；2）所設計的有機分子與電池系統，特別是與電解質最佳匹配。適當的電解質添加劑有利于降低去溶劑化能并提高電池的緩慢動力學；3）最大限度地減少雜質原子的引入。有機分子的過量引入可能會加劇電池系統的氣體產生，導致電池安全隱患；4）應充分考慮有機分子的毒性。禁止使用劇毒有機分子，這不但能防止泄漏時對環境造成危害還方便電極材料的回收再利用處理；5）合成和制備技術應盡可能簡單。復雜的制備工藝和昂貴的原材料無疑加劇了電池生產的難度和高昂的成本。

圖1. 有機分子的選取原則

聚合物基SEI設計：將具有高楊氏模量和離子導電性的聚合物層引入SEI中能夠有效抑制Li枝晶的生長。此外，聚合物充當鈍化層，可以作為電解質和Li金屬之間的屏障，避免電解質的持續分解和無機內層的重復形成。近年來，聚合物衍生的SEI工程已成為解決下一代金屬電池安全隱患的關鍵技術。

圖2. 聚合物基SEI的設計

Copyrights form Springer Nature, and Royal Society of Chemistry.

含氟的分子基S****EI：在陽極或電解質中有意設計富F有機分子能有效地產生富LiF的SEI。富含LiF的SEI有利于Li ^+^ 通量的均勻通過和沉積，并延長電池的循環壽命。通常，富氟SEI是通過氟化溶劑、添加劑或Li鹽的陰離子的分解形成的。通常，富氟有機分子具有在適當電位下分解F元素的能力，以確保其參與SEI的產生。此外，添加的有機分子需要以適當的比例，以避免在電解質中產生過多的雜質，從而限制金屬離子的傳輸速率。

圖3. 含氟的分子基SEI的設計

Copyrights form PNAS, and Springer Nature.

有機硫基SEI的設計：有機硫由通過S?S鍵連接的有機基團R組成。硫可以通過幾個位點與R基團結合，從而產生高度多樣化的有機硫材料。因此，具有多功能的有機硫具有高容量、豐富資源和可調節結構的優點，在可充電電池中得到了廣泛應用。然而，多硫化鋰（LiPS）具有可溶性性質，易于擴散到陽極處，并與鋰金屬發生劇烈反應，這會極大地消耗活性材料和電解質，導致電池故障。均勻且穩定的SEI的形成能抑制鋰金屬的消耗。優化和穩定鋰金屬和電解質之間的界面化學有助于增強電池的循環穩定性。

圖4. 有機硫基SEI的設計

Copyrights form Wiley-VCH.

總結和展望

盡管分子基SEI的設計已經取得了突破，但一些阻礙和值得注意的問題仍然存在，需要更多的研究。首先，為了構建富含LiF的SEI，所選擇的有機分子能夠以合適的電勢釋放F元素，并且在轉化后分子結構應該穩定。理想情況下，希望有機分子可控地誘導Li金屬的成核和沉積，從而最大限度地減少枝晶種子并避免枝晶危害。然后，有機分子的引入可能會加劇氣體的產生，導致電池膨脹并縮短循環壽命。此外，可以被配置成SEI的有機分子制備起來很復雜，這大大增加了商業應用的難度。而且，大多數可用的有機分子仍處于實驗室水平，無法大規模使用。最后，考慮到電解質泄漏和電極材料的回收和再循環，應禁止高毒性有機分子構建SEI。同時，一些具有易燃易爆特性的化學品應提前調查和禁止使用，這會嚴重增加電池安全隱患。基次，作者提出了以下展望：1）增加有機分子的多樣性和選擇性；2）考慮有機分子與電極和電解質的兼容性；3）最大限度地減少枝晶的產生和電池安全隱患；4）構建具有高能量密度的可實用性全電池；5）重視先進表征技術的利用和開發。

圖5. 總結和展望

Copyrights form Wiley-VCH.





審核編輯：劉清