可充電鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)和3C設(shè)備。然而，目前的鋰離子電池接近能量密度上限，尤其是石墨電極接近372 mA h g–1的理論比容量。因此開(kāi)發(fā)更大容量的新電池系統(tǒng)至關(guān)重要。鋰金屬被認(rèn)為是下一代鋰基電池最有前途的選擇，因?yàn)樗哂休^高的理論重量/體積容量和低標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)氧化還原電位。鋰金屬電池作為具有高理論能量密度的下一代可充電電池具有廣闊的應(yīng)用前景。不幸的是，鋰金屬正極會(huì)受到電解液的嚴(yán)重腐蝕，以及在循環(huán)過(guò)程中從負(fù)極流出的副產(chǎn)品，如鋰氧電池中的氧氣。

來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的學(xué)者通過(guò)Li金屬和二氯二甲基硅烷（DCDMS）之間的Wurtz型反應(yīng)制備了耐氧和自消除鈍化層。這種鈍化層保證了鋰金屬與O2的高度穩(wěn)定性，并通過(guò)消除生產(chǎn)期中不可預(yù)測(cè)的鋰支晶來(lái)抑制樹(shù)突生長(zhǎng)。此外，該鈍化層由LiCl和聚（二甲基硅）相構(gòu)成，它們提供良好的Li+傳輸，能夠自動(dòng)消除不良副產(chǎn)物。具有該保護(hù)層的對(duì)稱(chēng)電池可在氧氣環(huán)境下500小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰電鍍/剝離。因此，鋰氧電池可以保持200次以上的穩(wěn)定循環(huán)，Li| | NCM811電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能（0.5 C下300次循環(huán)）和速率容量（在5C情況下為130.3 mAh g?1）。這項(xiàng)工作為電極保護(hù)的發(fā)展提供了材料和方法上的突破，促進(jìn)了硅烷及其衍生物在堿金屬電池中的實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)文章以“An Oxygen-Resistant and Self-Eliminating Passivated Layer for Highly Stable Lithium Metal Batteries”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202112645

圖1. SC/Li電極的結(jié)構(gòu)和形態(tài)表征結(jié)果。a） 二氯丙烷和二氯硅烷在鋰金屬表面上的化學(xué)反應(yīng)途徑和方案。b） 12小時(shí)反應(yīng)后SC/Li的SEM圖像和c）元素映射分析。d）Cl和e）Si的高分辨率XPS光譜。f）SC/Li、g）CC/Li和h）電解液中隨時(shí)間流動(dòng)的O2中的裸鋰的照片。

圖2. SC/Li、CC/Li和裸鋰金屬電極的電化學(xué)分析。a）Li | | Li對(duì)稱(chēng)電池、b）CC/Li | CC/Li對(duì)稱(chēng)電池和c）SC/Li| SC/Li對(duì)稱(chēng)電池的循環(huán)相關(guān)電化學(xué)阻抗譜（EIS）。d）不同循環(huán)次數(shù)下SC/Li、CC/Li和裸鋰電阻的相應(yīng)變化。e） Li | | Li、CC/Li || CC/Li和SC/Li | | SC/Li對(duì)稱(chēng)電池的塔菲爾圖，掃描速度為1 mV s–1。f） Li | | Li、CC/Li || CC/Li和SC/Li | | SC/Li對(duì)稱(chēng)電池的循環(huán)伏安圖（CV），掃描速度為1 mV s–1。

圖3. 氧氣氣氛下不同電極的形貌表征。a–d）在氧氣環(huán)境下，用原位光學(xué)顯微鏡以不同間隔拍攝SC/Li電極的照片。f–i）在氧氣氣氛下用原位光學(xué)顯微鏡在不同間隔拍攝的裸鋰電極照片。鋰在不同電極上沉積的方案：SC/Li（e）和裸鋰金屬（f）。

圖4. 鋰氧電池在不同電極上的電化學(xué)性能。a）裸露鋰正極和d）SC/Li正極的鋰氧電池在1000 mA h g–1的切斷容量和500 mA g–1的電流密度下的全放電/充電曲線。采用b）SC/Li和裸e）Li正極的Li-O2電池的相應(yīng)容量和庫(kù)侖效率（CE）。不同循環(huán)后裸露的c）Li和f）SC/Li正極的X射線衍射（XRD）圖。g）循環(huán)后SC/Li電極表面的SEM圖像。h）（g）圖中橙色矩形內(nèi)SC/Li電極表面的對(duì)應(yīng)元素分析。i） 循環(huán)后硅的XPS光譜。

圖5. a） 具有不同電極的Li || NCM811電池在0.5 C下的電化學(xué)性能。具有不同循環(huán)次數(shù)的b）SC/Li和c）裸鋰正極的電池的放電/充電曲線。d） SC/Li | |NCM811和裸Li | | NCM811電池的額定容量。不同循環(huán)次數(shù)的SC/Li電極的形態(tài)：e）第10次，f）第50次，g）第100次。不同循環(huán)次數(shù)的裸鋰金屬電極的形態(tài)：h）第10次，i）第50次，j）第100次。

本文展示了一種簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)DCDM和鋰金屬之間的Wurtz型反應(yīng)，為鋰金屬電池構(gòu)建穩(wěn)定的自消除鈍化層。與CC/Li和裸Li電極相比，該鈍化層保證了SC/Li電極對(duì)O2的極端穩(wěn)定性。同時(shí)，這種自消除鈍化層可以通過(guò)Wurtz反應(yīng)消除初始生產(chǎn)時(shí)期的不可預(yù)測(cè)的新鮮鋰樹(shù)突，從而抑制樹(shù)突生長(zhǎng)。此外，由于自消除鈍化層的高離子導(dǎo)電性和與鋰金屬的緊密界面接觸，這種SC/Li電極表現(xiàn)出快速的電荷轉(zhuǎn)移、穩(wěn)定的機(jī)械性能和穩(wěn)定的電化學(xué)循環(huán)。因此，采用這種鈍化鋰正極的鋰氧電池和鋰| | NCM811電池都具有高庫(kù)侖效率和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為電極保護(hù)的發(fā)展提供了材料和方法上的突破，從而促進(jìn)了硅烷及其衍生物在堿金屬電池中的實(shí)際應(yīng)用，而不僅僅是鋰金屬電池。