锂离子电池推动着便携式电子设备和电动汽车的发展，但电动汽车续航里程仍不能满足人们的出行需求，具有更高能量密度（3860 mAh g^-1）和低还原电位（-3.04 V，标准氢电极）的锂金属电池引起人们广泛的关注。然而，不均匀的锂沉积导致了锂枝晶的形成和较低的库仑效率，严重阻碍了锂金属电池的实际应用。

近日，37000cm威尼斯现代工学院提出了在锂金属上利用多环芳烃（PAHs）原位构建π-π堆积的有机-无机杂化层作为人工固态电解质界面（SEI）膜策略。

这项工作通过引入了烷基链以增加 PAH的溶解度，并最终通过与锂金属的原位反应打断烷基链，原位生成了平行π-π堆叠的二羟基蒽酮紫（DHV，一种多环芳烃）分子构筑的人工SEI膜, 从而得到 DHV 保护的锂金属负极。 使用傅里叶变换红外光谱、气相色谱、XPS深剖等分析手段对反应机理和SEI膜构成进行了深入研究。原位形成的杂化的人工SEI膜可以为锂金属提供机械支撑并抑制锂枝晶的形成，防止了电解质的分解，显著改善了锂金属负极的库伦效率和循环性能。使用DHV保护的锂金属的对称电池可以在 4 mA cm^-2和4 mAh cm^-2下循环 1000 小时，显示出优异的循环性能和2000 mAh cm^-2的高容量累积。通过与高负载 LiFePO₄正极（2.8 mAh cm^-2）和低 N/P =2 的DHV保护的锂金属（30 μm）匹配的全电池，可实现 300 圈的长循环性能，每圈约0.03%的较低容量衰减率和 99.8% 的高库伦效率。 此项工作为在分子尺度上使用其他功能化的多环芳烃，应用于锂金属负极形成稳定的有机-无机杂化人工SEI膜，提供了一种启示。原位合成人工SEI策略也适应于实际情况下锂离子电池的工业化应用，并为解决锂和其他金属负极枝晶问题提供契机。

图 1. 锂沉积过程和 SEI膜形成示意图：(a) PAHs 和混合 SEI膜的形成过程示意图；(b)空白组，锂金属在铜箔上枝晶生长的示意图；(c) VO79和Li反应机理

图 2. 锂负极表面的形态分析。 (a, c) 不同电解质中锂沉积形态的俯视和 (b, d) 横截面 SEM 图像：(a, b) 裸锂，(d, e) DHV-Li

图 3. 裸锂和 DHV-Li 电极的电化学特性。(a) 在 0.5 mA cm^-2和 1 mAh cm^-2的不同电解液中充放电过程中锂的库伦效率，通过充电至 1.0 V vs Li+/Li 的截止电压来电沉积锂；(b) 在 0.5 到 5 mA cm^-2的不同电流密度下的倍率性能；(c) EIS图谱；(d) 4 mA cm^-2 和4 mAh cm^-2；(e) 0 ℃ 5 mA cm^-2 和1 mAh cm^-2和 (f, g) 0.5 mA cm^-2 和 1 mAh cm^-2处的时间-电压曲线

以上成果以In Situ Formation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons as an Artificial Hybrid Layer for Lithium Metal Anodes为题发表在国际期刊Nano Letter，https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c0362 。论文的第一作者为37000cm威尼斯现代工程与应用科学学院2020级博士生昌绍忠，通讯作者为37000cm威尼斯现代工程与应用科学学院的张会刚、李爱东教授和美国阿贡国家实验室陆俊、Khalil Amine教授。

本工作得到了国家自然科学基金(52073142, 51721001, 22075131，51802150)、江苏省自然科学基金(BK20201252)等项目的支持。同时，本工作得到37000cm威尼斯化学化工学院成义祥教授和现代工学院胡勇教授的帮助。