鋰金屬負(fù)極因超高容量（3860 mAh/g）被視為下一代電池的“圣杯”，但其實際應(yīng)用受枝晶生長、界面不穩(wěn)定等問題阻礙，尤其在低溫及快充、高電壓工況下性能衰減加劇。開發(fā)人工界面層替代原生 SEI 對鋰金屬電池的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。目前構(gòu)建的人工界面層多為無機(jī)或有機(jī)聚合物，但難以兼顧化學(xué)惰性、高鋰離子傳導(dǎo)性及機(jī)械強(qiáng)度等要求。
金屬超分子聚合物的出現(xiàn)為這一難題提供了新思路。通過引入金屬-有機(jī)配位結(jié)構(gòu)作為交聯(lián)單元，可增強(qiáng)聚合物性能。配位鍵的動態(tài)性賦予其再加工性和自修復(fù)能力，而配合物獨(dú)特的電子與立體化學(xué)特性使其具備導(dǎo)電、氧化還原等功能。這使其成為構(gòu)建人工界面層的理想材料，有望同時滿足高化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異機(jī)械性能與高離子電導(dǎo)率要求，為鋰金屬電池的發(fā)展帶來新機(jī)遇。
圖1 金屬超分子聚合物作為陽極界面保護(hù)層（MSP-IPL）的設(shè)計與合成
近日，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李承輝教授團(tuán)隊聯(lián)合金鐘教授團(tuán)隊報道了一種利用鈦（IV）–多酸（Ti-POMs）作為六齒連接體橋接有機(jī)和無機(jī)單元的金屬超分子聚合物作為陽極界面保護(hù)層（MSP-IPL）。所構(gòu)建的MSP-IPL具有高電化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的離子傳輸能力和良好的空氣穩(wěn)定性。由于其優(yōu)異的成膜性和機(jī)械韌性，MSP-IPL能有效避免由尖端效應(yīng)引起的非均勻鋰沉積，從而抑制鋰枝晶生長。聚合物骨架中均勻分布的Ti-POMs可高效結(jié)合PF6-陰離子，從而提高Li+遷移數(shù)（tLi+ = 0.607）并促進(jìn)Li+均勻分布。動態(tài)配位鍵賦予的再加工性和自修復(fù)能力使MSP-IPL能夠適應(yīng)電極體積變化并保持良好的界面接觸。實驗表明，MSP-IPL包覆的Li||NCM811電池在–20 ℃下循環(huán)超500次后容量保持率達(dá)86.8%，展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫耐受性和循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為鋰金屬電池界面穩(wěn)定化提供了基于金屬–超分子聚合物的新策略。“Titanium-Polyoxometalate Crosslinked Metallo-Supramolecular Polymer as Artificial Interfacial Layer for Highly Persistent and Low-Temperature Tolerant Lithium Metal Batteries”為題發(fā)表在最新一期的《Angew. Chem. Int. Ed.》。南京大學(xué)博士研究生王耀達(dá)和副研究員趙培臣為論文共同第一作者，李承輝教授和金鐘教授為論文的共同通訊作者。
圖2. MSP-IPL@Li基礎(chǔ)性能表征
圖3. 鋰||銅半電池電化學(xué)性能表征
圖4. 鋰電極形貌及SEI成分分析
圖5. 全電池性能表征
圖6. 機(jī)理分析
圖7. 低溫性能測試
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202508224
