锂金属电池（LMBs）被认为是高能量密度储能的潜在候选者。然而锂（Li）金属阳极的实际应用受其固态电解质界面（SEI）有限的离子电导率、局部电子泄漏和较差的机械稳定性的严重限制。
近日，金沙威尼斯欢乐娱人城杨辉教授团队在上述关键问题上取得重要进展。团队采用机械辊压策略，使用Sr₃N₂粉末与锂箔构建Li-Sr-N（LSN）复合电极，在复合箔表面形成了LiSrN/Li₃N/Li₂₃Sr₆/Li异质界面。实验表征和理论计算均表明，所构建的异质界面能够主动与电解质中的氟代碳酸乙烯酯（FEC）分子相互作用，导致原位形成均匀的Li₃N/LiF/SrF₂混合SEI，具有高离子电导率、良好的电子绝缘性以及优异的机械强度。通过关联阳极-电解质相互作用和原位SEI形成过程，该研究为高性能锂金属阳极的表面改性提供了新的见解。
该成果以“In Situ Construction of Inorganic-Rich Solid Electrolyte Interphase via Selective Anode-Electrolyte Interactions Enabling Stable Lithium Metal Batteries”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊（IF = 19.0），金沙威尼斯欢乐娱人城博士生王鑫鑫(Wang, Xinxin)、硕士生陈琴（Chen, Qin）为论文共同第一作者，金沙威尼斯欢乐娱人城孙永明教授、杨辉教授为论文共同通讯作者。
【工作要点】
本研究采用机械辊压策略，使用Sr₃N₂粉末与锂箔构建LSN复合电极。Li与Sr₃N₂之间的氧化还原反应可在电极表面区域生成LiSrN/Li₃N/Li₂₃Sr₆/Li异质界面。实验表征与理论计算共同证明，所构建的异质界面能够主动与电解质中的氟代碳酸乙烯酯（FEC）分子相互作用，原位形成具有优异电-化学-机械性能的Li₃N/LiF/SrF₂混合SEI膜。该界面不仅能降低锂离子迁移能垒，提升界面传输动力学性能，还能增强阳极-电解质界面稳定性，从而有效抑制锂枝晶生长。基于优化后的LSN电极，对称电池在1 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²条件下表现出3000小时的超长循环稳定性。此外，采用超高负载正极（~18 mg cm⁻²）的NCM95||LSN纽扣全电池在1.0 C（214 mA g⁻¹）倍率下循环100圈后容量保持率达89.6%，显著优于NCM95||Li纽扣电池（仅保持25.4%初始容量）。组装的NCM95||LSN软包电池在低N/P比（~1.7）和贫电解液条件（~1.37 g Ah⁻¹）下，仍能实现440.8 Wh·kg⁻¹的能量密度（0.2 C倍率），并在100次循环后保持91.1%的容量保持率。
图1. (a) FEC分子与LSN电极及纯锂电极表面相互作用示意图。(b-d)循环3圈后LSN阳极的Sr 3d (b)、N 1s (c)和F 1s (d)高分辨率XPS谱图。(e,f) FEC分子吸附在LiSrN(310)、Li₃N(001)和Li(110)表面的DFT模拟slab模型(e)，及相应的结合能计算结果(f)。
图2. (a,b) LSN||LSN和Li||Li对称电池在1 mAh cm⁻²(a)和5 mAh cm⁻²(b)电流密度下进行恒电流锂剥离/沉积循环的电压-时间演变曲线。(c)固定容量为1 mAh cm⁻²时，LSN||LSN和Li||Li对称电池的倍率性能。(d) LSN||LSN和Li||Li对称电池的Tafel曲线。(e,f) LSN||LSN (e)和Li||Li (f)对称电池在273至298 K不同温度下的拟合Nyquist图。(g,h)根据LSN||LSN和Li||Li对称电池Nyquist图拟合得到的
和
的Arrhenius行为及活化能对比。
图3. (a)循环后LSN电极体相及表面关键成分（Li3N3+, FSr+, Li2F+, SrLiN+）分布的TOF-SIMS元素映射图。(b)循环后纯锂电极体相及表面Li2F+分布的TOF-SIMS元素分布图。(c,d) LSN电极(c)和纯锂电极(d)中SEI的典型AFM形貌。(e,f) LSN电极(e)和纯锂电极(f)中SEI的杨氏模量分布图。(g) LSN与纯锂阳极SEI的平均粗糙度和杨氏模量对比。(h) DFT计算得到的LiSrN(310)、Li₃N(001)和Li(110)表面吸附Li的结合能。
图4. (a) LSN电极与纯锂电极表面锂沉积动力学的相场模拟，通过序参数(
)、Li⁺浓度(
)和电势(
)的云图展示。(b) LSN电极在1 mA cm⁻²电流密度和1 mAh cm⁻²容量条件下循环1圈后的SEM图像，及相应的N、Sr元素EDS分布图。(c) LSN电极和纯锂电极在1.0 mA cm⁻²电流密度下首次锂沉积至5 mAh cm⁻²容量后的SEM图像。(d,e) LSN电极和纯锂电极在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下循环100圈后的截面形貌(d)和俯视图形貌(e)。
图5. (a,b) NCM95||LSN与NCM95||Li纽扣电池在0.5 C (a)和1.0 C (b)下的循环性能。(c) NCM95||LSN与NCM95||Li纽扣电池在0.1-4.0 C电流密度变化下倍率性能。(d) NCM95||LSN纽扣电池在倍率性能测试期间，特定循环次数下的恒电流充放电曲线。(e) NCM95||LSN与NCM95||Li纽扣电池在倍率性能测试中特定循环次数下的容量保持率。(f)采用高正极载量（4 mAh cm-2）、低N/P比（1.7）和贫电解液用量（1.37 g Ah⁻¹）的NCM95||LSN软包电池结构示意图。(g) NCM95||LSN与NCM95||Li软包电池经0.1 C活化三圈后在0.2 C下的长循环性能测试。
【结论】
本研究通过可规模化生产的机械辊压工艺，成功构建了具有原位形成的LiSrN/Li3N/Li23Sr6/Li异质界面的高稳定性薄型（30-50 μm）LSN阳极。其中，原位形成的富LiSrN/Li3N界面能特征性吸附电解液中的FEC分子，进而促进原位生成坚固且具有协同效应的Li3N/LiF/SrF2混合SEI。该混合SEI集高离子电导率、良好的电子绝缘性以及优异的机械强度于一体，能有效抑制电子隧穿效应，为SEI不稳定性和锂枝晶生长等长期存在的难题提供了极具前景的解决方案。得益于这些特性，优化后的LSN阳极实现了约3.6倍的SEI杨氏模量提升，并在0.5 C下循环200次后表现出比纯Li阳极约5.7倍的循环稳定性提升。此外，在低N/P比（~1.7）和贫电解液（~1.37 g Ah⁻¹）的苛刻条件下，组装的NCM95||LSN软包电池仍能在0.2 C倍率下实现440.8 Wh kg⁻¹的高能量密度，100圈循环后容量保持率达91.1%，200圈循环后仍保持有55.7%的容量保持率。本研究证实了利用阳极-电解质界面工程调控SEI组成与力学性能的潜力，为高能量密度锂金属电池的先进SEI设计提供了新见解。
Xinxin Wang#, Qin Chen#, Siwei Gui, Zihan Zhang, Zhuo Chen, Peng Ouyang, Changhui Ke, Kai Cheng, Xiangrui Duan, Junhong Wei, Yongming Sun*, and Hui Yang*
In Situ Construction of Inorganic-Rich Solid Electrolyte Interphase via Selective Anode-Electrolyte Interactions Enabling Stable Lithium Metal Batteries
DOI:10.1002/adfm.202520120
