深圳大学刘琛, 最新AFM观点:通过钝化层引发氟化聚合的界面分子焊接:增强Li+传导并稳定固态锂金属电池的双电极界面

第一作者：连浩健、廖新淦

通讯作者：刘琛*

单位：深圳大学，香港城市大学

聚合物固态电解质兼具优异的机械柔韧性、易加工性与电极界面贴合性，搭配石榴石型无机填料构建的复合聚合物电解质，被认为是高能量密度固态锂金属电池的核心发展方向之一。然而，石榴石填料（如 LLZTO）在空气中极易发生Li+/H+交换，与CO2反应生成Li2CO3钝化层，不仅会严重破坏填料与聚合物基体的界面接触，阻断Li+传输路径，还会在高电压下发生分解，恶化电解质与正、负极的界面兼容性，最终导致电池离子电导率下降、循环寿命缩短。传统钝化层去除工艺存在操作复杂、易二次污染、无法兼顾多界面协同优化等固有缺陷，开发能同步破解界面钝化、离子传输受阻与双电极失稳难题的普适性策略，成为该领域亟待突破的关键瓶颈。

近日，深圳大学刘琛团队在期刊 Advanced Functional Materials 上发表题为“Interfacial Molecular Welding via Passivation-Triggered Fluoropolymerization: Boosting Li+ Conduction and Stabilizing Dual Electrode Interfaces for Solid-State Lithium Metal Batteries” 的研究论文。该工作创新性提出钝化层引发氟化聚合的界面分子焊接策略，将LLZTO表面有害的Li2CO3钝化层作为引发剂，原位生成含氟低聚物作为填料与聚合物基体间的分子交联剂，实现了有害钝化层的彻底消除、高通量Li+迁移通道的构建、正负极双界面的协同稳定，为高电压、长寿命、高安全固态锂金属电池的实用化发展提供了全新思路。

石榴石型LLZTO接触空气后发生Li+/H+交换、与空中CO2反应生成Li2CO3钝化层，其离子传导惰性会造成填料-聚合物基体界面的物理接触劣化、界面Li+传输势垒急剧升高，而传统钝化层消除策略仅能实现污染物的去除，无法同步构建填料与聚合物之间相容的界面结合。本工作创新性地利用Li2CO3的碱性与反应活性，将其作为双氟代碳酸乙烯酯（DFEC）开环聚合的引发位点，引发开环聚合，在LLZTO表面原位生成含氟醚氧低聚物。这种原位生成的低聚物一端锚定在LLZTO颗粒表面，另一端与PEO聚合物链段形成强相互作用，在填料与聚合物基体之间形成桥梁，改善了填料-聚合物界面不相容、界面离子传输不连续心问题。

原位生成的含氟低聚物具有比PEO更高的电负性，与Li+的配位结合能力更强，Li+会优先与低聚物中的醚氧键位点发生配位，在填料-聚合物界面处构建了额外的、低势垒的Li+传输通道，实现了Li+连续、快速迁移；含氟低聚物作为LLZTO与PEO之间的分子桥接层，彻底打通了无机填料与有机聚合物基体之间的界面传输壁垒，实现了Li⁺在LLZTO/PEO界面的平滑、连续迁移，使复合电解质内部形成了全域连续的高电流密度分布，缓解局域电流分布不均，显著提升了整体的锂离子传输动力学。

复合电解质内部的分子间工程相互作用，这些相互作用在界面产生含氟低聚物，促进LiF浓集并稳定SEI层，并且含氟低聚物具有更低的LUMO能级，在电池循环过程中会在锂金属负极表面生成更多以LiF为主的无机成分，避免了PEO基体与锂金属的持续副反应，有效抑制锂枝晶生长，增强界面接触和电化学稳定性。在正极界面处，含氟低聚物原位构建出致密、稳定的富LiF的CEI层，有效抑制界面降解动力学，减少复合电解质中有机成分和锂盐的连续分解，从而提升电池在高压条件下的电化学稳定性。由于更高比例的自由TFSI-阴离子，形成更高比例Li3N，LiF与Li3N结合构建更稳定且致密的CEI层，为CEI内的Li扩散提供高效的通路。

Interfacial Molecular Welding via Passivation-Triggered Fluoropolymerization: Boosting Li Conduction and Stabilizing Dual Electrode Interfaces for Solid-State Lithium Metal Batteries

刘琛 （LIU Chen），现为深圳大学副教授，获深圳市海外高层次人才C类、南山区领航人才。2017年10月毕业于香港城市大学，获物理与材料科学专业博士学位。担任国际SCI期刊 Rare Metals、Materials Reports Energy等期刊青年编委。主要研究方向为：固态锂/钠离子电池，智能电池、功能高分子复合材料。以第一作者/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Compos. Sci. & Technol.等期刊发表论文40余篇, 被引2200余次, 主持国家自然科学基金青年基金、广东省自然科学基金面上项目、深圳市自然科学基金基础研究面上项目等十余项科研项目。