【美能鋰電】觀察：鋰離子電池已成為現(xiàn)代社會不可或缺的能源部件，但隨著消費者對電子設(shè)備、電動汽車續(xù)航里程和電網(wǎng)儲能需求的日益增長，當前電池的能量密度逐漸觸及天花板。為此，科學(xué)家們將目光投向了被譽為“終極選擇”的無負極鋰金屬電池。

這種電池在制造時直接使用銅箔作為負極基底，完全摒棄了傳統(tǒng)的石墨等負極活性材料。在充電時，鋰離子從正極析出并沉積在銅箔上形成金屬鋰負極；放電時，鋰金屬被剝離，離子重新嵌入正極。這不僅大幅提升了電池的能量密度，還降低了材料成本和制造工藝復(fù)雜性。

然而，其商業(yè)化道路卻面臨一個巨大障礙：在“赤裸”的銅箔集流體上，鋰的沉積往往雜亂無章，容易形成枝晶和苔蘚鋰。這不僅會刺穿隔膜導(dǎo)致短路，還會與電解質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)，大量消耗有限的鋰源和電解質(zhì)，導(dǎo)致電池的庫侖效率低、循環(huán)壽命短、倍率性能差。

用于無負極鋰金屬電池的2DPA/LN界面層

本文通過精巧的分子工程設(shè)計，開發(fā)出一種超薄的二維聚酰胺/鋰化Nafion（2DPA/LN）復(fù)合界面層，成功穩(wěn)定了銅箔上的鋰金屬沉積/剝離過程，為無負極電池的實際應(yīng)用帶來了新的希望。

吸附與共軛的協(xié)同效應(yīng)

Millennial Lithium

研究團隊的核心創(chuàng)新在于設(shè)計了一種新型的二維聚酰胺（2DPA）材料。它由三聚氰胺和1,3,5-苯三甲酰氯通過縮聚反應(yīng)制成，形成了一個擁有大共軛結(jié)構(gòu)和豐富鋰離子吸附位點（C=O和C=N基團） 的二維片層網(wǎng)絡(luò)。

用于內(nèi)亥姆霍茲平面調(diào)控的吸附-共軛協(xié)同效應(yīng)

強吸附作用：理論計算（DFT）表明，2DPA中的C=O和C=N基團能與鋰離子（Li?）產(chǎn)生強烈的離子-偶極相互作用，結(jié)合能高達-2.94 eV。這種強吸附作用能有效“捕獲”并引導(dǎo)鋰離子在界面層上均勻分布。

共軛效應(yīng)：更大的亮點在于其大共軛結(jié)構(gòu)。共軛效應(yīng)使得電子在分子內(nèi)離域，形成了均勻的靜電勢分布。這創(chuàng)造了Li?與離域電子之間的離子-電子相互作用，像一張無形的網(wǎng)，進一步促進了Li?的橫向擴散，使其分布更均勻。

這種 “吸附-共軛協(xié)同效應(yīng)” 是2DPA層的靈魂。它確保了鋰離子在銅箔表面均勻分布，為形成大而稀疏的鋰核奠定了基礎(chǔ)，從而引導(dǎo)鋰進行致密、平坦的面內(nèi)生長，而非雜亂無章的枝晶。

性能卓越的復(fù)合界面層

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僅有2DPA還不夠。研究團隊將2DPA與鋰化Nafion（LN）混合，采用刮涂工藝在銅箔上制備出了超薄的2DPA/LN復(fù)合界面層。

超薄且均勻：該界面層平均厚度僅約50納米，質(zhì)量負載極低（~0.01 mg cm?2），是同類中最輕薄的界面層之一。研究團隊成功制備出了100×20 cm2的大面積均勻涂層，展現(xiàn)了其良好的可擴展性。

高離子電導(dǎo)率：LN的加入顯著提升了界面層的離子電導(dǎo)率，從2.01 × 10??S cm?1提升至 7.53 × 10??S cm?1，保證了鋰離子能夠快速通過界面層。

機械強度高：該復(fù)合界面層表現(xiàn)出高達11.5 GPa的彈性模量和2.3 MPa的粘附強度，足以抵抗鋰沉積產(chǎn)生的應(yīng)力，有效抑制枝晶穿刺。

驚艷的電化學(xué)性能

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得益于獨特的分子設(shè)計和優(yōu)異的材料特性，2DPA/LN-Cu集流體展現(xiàn)出了前所未有的電化學(xué)性能。

在實驗室常見的Li||Cu半電池測試中：

高倍率：實現(xiàn)了30 mA cm?2的超高電流密度下穩(wěn)定循環(huán)。

高容量：實現(xiàn)了10 mAh cm?2的高面積容量沉積/剝離。

長壽命：在1 mA cm?2和1 mAh cm?2的條件下，平均庫侖效率高達98.8%，可持續(xù)循環(huán)超過550次，遠超裸銅和傳統(tǒng)聚合物界面層。

Li||2DPA/LN-Cu電池的電化學(xué)性能和鋰沉積形貌

更重要的是，在全電池測試中，其性能同樣耀眼：

高倍率全電池：2DPA/LN-Cu||LiFePO?無負極電池在3.0 mAh cm?2的實際負載下，倍率性能可達5C，遠超對比組。

長循環(huán)壽命：在0.3C充電/0.5C放電條件下，可穩(wěn)定循環(huán)200圈，容量保持率約48%。

基于2DPA/LN-Cu的無負極電池的電化學(xué)性能

軟包電池突破：團隊成功制備了8-Ah的大容量軟包電池（2DPA / LN-Cu || NCM 811 ），其重量能量密度高達471 Wh kg?1，功率密度達622 W kg?1（均按整個軟包電池總重量計算），這兩項指標相比此前文獻報道的最高水平提升了88-125% 和 490-710%，堪稱里程碑式的進展。

面調(diào)控與穩(wěn)定SEI的形成

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性能的提升源于科學(xué)的本質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，2DPA/LN層能有效調(diào)控電極/電解質(zhì)界面處的內(nèi)亥姆霍茲平面（IHP），其微分電容（Cd）高達0.24 F cm?2，是裸銅的2.6倍以上。這意味著更多的鋰離子能被高效地吸附并完成去溶劑化過程。

同時，2DPA中的N-H基團能與電解液中的TFSI?陰離子形成氫鍵，將其拉入界面附近，促進其分解形成富LiF和Li?N的穩(wěn)定固體電解質(zhì)界面（SEI）。這種SEI具有高的離子電導(dǎo)率和機械穩(wěn)定性，即使在300次循環(huán)后，界面層仍能保持4.8 GPa的高模量。

該研究通過精妙的分子工程，將二維聚酰胺材料的“吸附-共軛協(xié)同效應(yīng)”與鋰化Nafion的離子傳輸優(yōu)勢相結(jié)合，創(chuàng)造性地解決了無負極鋰金屬電池中鋰沉積不均勻的核心痛點。這項突破不僅展示了一種性能卓越的超薄界面層，更提供了一種設(shè)計高性能二維聚合物界面層的新思路，為最終實現(xiàn)高能量密度、高安全性、長壽命的無負極鋰金屬電池邁出了堅實的一步。

作為專注于鋰電技術(shù)前沿的觀察者與傳播者，【美能鋰電】持續(xù)關(guān)注并分享此類基礎(chǔ)研究的重大突破。我們深信，每一次技術(shù)的革新都將推動整個行業(yè)向前邁進。

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原文參考：Molecular engineering of two-dimensional polyamide interphase layers for anode-free lithium metal batteries