鑒于此，南京大學張會剛教授聯合美國阿貢國家實驗室陸俊教授和Khalil Amine教授等人提出了一種液態金屬衍生的混合固態電解質（HSE），并報告了一種在鋰金屬上構建人工HSE的簡便轉移技術。通過調整轉移襯底的潤濕性，將電子和離子導電液態金屬夾在電子絕緣和離子導電LiF和氧化物之間，從而形成 HSE。轉移技術使HSE保持連續、密集和均勻。同時，HSE具有高離子傳輸性、電子絕緣性和高機械強度，使得復合負極在對稱電池中能夠在0.5 mA cm-2和1 mAh cm-2的條件下循環超過4000小時。
當與LiFePO4和硫正極配對時，HSE包覆的鋰金屬負極明顯提高了全電池的性能。因此，這項工作表明，調整界面潤濕性質為構建堅固的固態電解質提供了一種替代方法，從而實現了高效循環的鋰金屬負極。相關論文以“Transferring Liquid Metal to form a Hybrid Solid Electrolyte via a Wettability-Tuning Technology for Lithium Metal Anodes”為題發表在Adv. Mater.。
圖文解析
圖1：設計原理和制備示意圖本文通過調整潤濕性將電子導電液態金屬（LM）轉移到電子絕緣的氟化鋰和氧化物層之間（圖1）?；谝幌盗嘘P于界面潤濕性的理論建模和實驗研究，從中選擇了一種不銹鋼（SS）襯底來鋪展LM，其介質潤濕特性會使LM擴散。在空氣中加熱后，在表面氧化的LM（soLM）涂上鋰金屬，由于soLM與Li（高潤濕）的相互作用強于SS（介質潤濕），因此Li/soLM雙分子層很容易與SS分離。然后用LiF濺射在新暴露的LM表面，以鈍化LM的Ga-In-Sn位點（這些位點如果不隔離或鈍化，可能會催化液態電解質的分解）。由于LM具有良好的流動性，所得到的HSE膜是連續、致密、均勻的，是鋰金屬負極理想的保護層。圖2：潤濕性調整過程擴散特性決定了LM薄膜的致密性和均勻性。通過篩選不同的襯底材料，Cu和不銹鋼（SS）有助于LM的擴散和人工HSE的形成。在200°C的空氣中退火24h后，LM的頂表面被氧化形成一層薄而致密的soLM層。由于Li通過外部電路與襯底電連接，氧化的soLM薄膜具有離子導電性，LM逐漸被鋰化和固化，形成均勻和機械堅固的HSE。在5 MPa的壓力下，Li/soLM從襯底上剝離。實驗表明，LM和Cu之間的附著力強于Li和LM之間的附著力。相反，在SS上，soLM成功地轉移到Li箔上，而SS保持完整（圖2c）。由此可見，通過調整界面潤濕性所實現的轉移技術可以實現連續LM薄膜的簡易制備。圖3：轉移過程的仿真與機理分析同時，基于分子動力學（MD）模擬進一步了解LM在不同襯底上的潤濕特性。圖3a-c分別顯示了LM在SS、Cu和C上的模擬結果，證實了圖2a中的實驗觀察結果。更加重要的一點是，MD模擬結果可以將脫浸潤特性歸因于C和LM之間的弱相互作用，與潤濕Cu和脫潤濕C相比，只有SS對LM具有中等的相互作用強度，這成為輔助轉移過程的關鍵因素。圖4：原位鋰沉積的光學分析與建模此外，為了研究人工HSE是否能夠抑制鋰金屬枝晶生長，使用光學顯微鏡觀察了鋰金屬在裸Li和Li/soLM/LiF上的原位生長過程。研究表明，Li/soLM/LiF誘導了鋰金屬的均勻沉積，通過鋰層的厚度增加來辨別。實際上，局部電子和離子的輸運通常決定了鋰金屬的沉積行為。通過使用聚四氟乙烯（PTFE）作為探針分子來可視化PTFE和Li之間的反應。具體來說，依據涂在鋰負極上的聚四氟乙烯薄膜的顏色，辨別電子和鋰離子的傳輸過程。圖5：對稱電池的電化學性能圖6：全電池的電化學性能Transferring Liquid Metal to form a Hybrid Solid Electrolyte via a Wettability-Tuning Technology for Lithium Metal Anodes，Adv. Mater.，2022，https://doi.org/10.1002/adma.202200181
