锂金属具有理论容量密度高(3860 mAh/g)、电化学电势低(-3.040 V vs. SHE)等特点，是理想的高能量密度电池负极。然而锂金属活性高，容易与传统电解质发生不可控的副反应，形成固态电解质界面层(SEI)的化学和机械稳定性较差：一方面，循环过程中SEI的反复破裂会加速死锂的形成和不可逆的活性锂/电解质损失;另一方面，溶剂诱导形成的SEI机械性能较差，不足以抑制锂枝晶的生长，导致枝晶刺穿隔膜造成电池短路。
本工作中，该团队在电解液中引入一种新型添加剂——硝化纤维素，构建内共生的氮化锂/纤维素双层SEI(ES-DSEI)，并用于锂金属电池中。ES-DSEI在用于锂金属保护中具有独特的优势：硝化纤维素会优先与锂反应，一步实现在锂表面构建聚合物/无机层;外层的柔性聚合物层能够适应锂金属在循环过程中的体积变化，其强粘附性还能抑制内层无机物的剥离;内层的无机层具有机械强度高的特点，可以抑制枝晶的生长，且晶型的氧化锂和氮化锂层也有利于锂离子传输。该团队利用密度泛函理论模拟计算证明，相较于锂盐阴离子和溶剂，硝化纤维素具有更低的最低未占据分子轨道(LUMO)能量。此外，硝化纤维素的硝基基团更易于与金属锂反应，在近锂内层形成LiNO2等无机物种，而其主链则靠Li-O键紧密吸附在远锂外层。与未添加硝化纤维素的电解液相比，锂负极在含有硝化纤维素为添加剂的电解液中循环寿命提高了一倍。该工作为长寿命锂金属负极的设计提供了新思路。
相关研究以题为“Endogenous Symbiotic Li3N / Cellulose Skin to Extend the Cycle Life of Lithium Anode”发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。该工作的第一作者是我所DNL1701组2017级博士研究生罗洋。上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发项目、中科院青年创新促进会等项目的资助。(文/图 罗洋)
