鋰金屬電池具有高能量密度，有望成為下一代電池，目前產業界也正在對鋰金屬電池進行積極的研發和布局。但是鋰金屬電池仍然面臨著一些問題。
由于其超高化學反應性，鋰金屬陽極可以很容易地與有機電解質反應，在表面產生共形固體電解質間相（SEI），這可以穩定鋰金屬陽極并避免進一步的寄生反應。不幸的是，原位形成的SEI層可能導致不均勻的Li+通量和局域SEI的持續開裂，新鮮的Li表面暴露在電解質下。因此，不均勻的鋰沉積和電解質消耗逐漸提高，最終導致低庫侖效率和快速電池故障。
在下一代電池所需的高電流密度和大面積容量下，這些問題嚴重惡化；特別是，在這種情況下，內部短路可能是由鋰枝晶引起的，導致嚴重的安全隱患。因此，開發替代人工保護層以取代原生SEI以實現穩定的鋰金屬陽極至關重要。
近日，中山大學吳丁財教授和劉紹鴻副教授等人在Nat. Nanotechnol.上發表最新工作，A robust all-organic protective layer towards ultrahigh-rate and large-capacity Li metal anodes，開發了一種堅固的全有機的鋰保護層，來實現高倍率和大容量的鋰金屬電池。
（1）無機層因其高Li+導電性和高機械模量而具有吸引力，而其本質上脆性和與鋰金屬陽極的界面接觸薄弱，鋰枝晶沿晶界的生長，仍然是不可避免的問題。
（2）具有高柔韌性的軟聚合物可以更好地覆蓋鋰金屬陽極，并適應循環過程中發生的體積變化，但其機械魯棒性不足以抑制枝晶的傳播。
（3）無機納米填充物納入聚合物基質的“剛柔并濟”策略，結合了兩個組件的優點。但是，無機材料容易在聚合物基質中聚集，導致機械強度和離子通量分布不均勻（圖1a）。此外，無機材料損害了電池的能量密度。
在此，作者首次報告了一類堅固的全有機薄膜作為人工保護層，以便在高電流密度和大面積容量下實現長期的鋰電鍍/剝落循環（圖1b）。這種新型全有機人工保護層的關鍵是使用聚(低聚乙二醇)甲基丙烯酸甲酯接枝的超交聯聚（4-氯甲基苯乙烯）（xPCMS-g-PEGMA）納米球作為多孔納米填充物，以增強單離子導電鋰化萘酚（LN）薄膜。得益于剛性超交聯骨架，超交聯聚（4-氯甲基苯乙烯）（xPCMS）內核可以大大提高LN薄膜的機械魯棒性，而多孔聚合物結構使由此產生的人工保護層重量輕，以及足夠的離子擴散通道。
此外，毛狀聚(低聚乙二醇)甲基丙烯酸甲酯(PEGMA)鏈有利于xPCMS-g-PEGMA納米填料與LN的均相復合，LN聚合物使保護層具有良好的結構完整性。在Li+轉移數較高的情況下，可以促進均勻高效的Li+擴散。
因此，這種xPCMS-g-PEGMA/LN保護的鋰陽極可以使對稱電池以10 mA cm?2的超高電流密度循環長達9100 h（>1年）。值得注意的是，在10 mAh cm?2的高面積容量下和10 mA cm?2的情況下，可以實現前所未有的循環性（2800小時）。此外，當與高負載陰極（21.6mg cm?2，~4 mAh cm?2）配對時，xPCMS-g-PEGMA/LN保護的薄鋰陽極（~10 mAh cm?2）也與裸鋰陽極相比，電池穩定性也大大提高，這表明了其在鋰金屬電池中的實際應用前景。
作者沿用了“剛柔并濟”的思路，但是在“剛”的部分，作者利用了有機的顆粒來實現對無機顆粒的替代，在有機顆粒上還修飾了接枝，這種結構不僅降低了人工保護層的重量，還有利于“剛”性顆粒與“柔”性基質的完美復合，使得人工保護層能夠均勻的調節Li+的遷移和擴散，防止了枝晶的形成。
Li, S., Huang, J., Cui, Y. et al. A robust all-organic protective layer towards ultrahigh-rate and large-capacity Li metal anodes. Nat. Nanotechnol. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01107-2
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