摩擦构建容量补偿夹层实现稳定锂金属电池：基于硫/硒改性界面的协同机制研究

【编辑推荐】针对锂金属电池(LMBs)中锂负极界面不稳定和硫正极活性物质流失的难题，中国研究人员创新性地提出摩擦涂层策略，通过硫粉(LS)和硒粉(LSe)在锂箔表面构建具有容量补偿功能的夹层。该夹层含未反应的S/Se及其锂化产物Li2S/Li2Se，既能补充Li||S电池的硫损失，又能引导锂均匀沉积。实验表明LSe@Li界面电容达8.14 μF/cm2，使Li||S电池循环寿命提升1.3倍、容量提高1.8倍，Li||NCM811电池寿命延长2.8倍。该工作为高能量密度LMBs的实用化提供了新思路。

　　

锂金属电池(LMBs)因其超高能量密度被视为下一代储能技术的希望之星，但锂负极的"顽疾"——枝晶生长和界面不稳定性始终制约其发展。更棘手的是，当锂金属匹配不同正极材料时，问题会变得更加复杂：对于无锂正极如硫(S)，活性物质的持续流失导致容量衰减；而对于含锂正极如NCM811，不均匀的锂沉积又会引发安全隐患。传统改性方法往往顾此失彼，难以同时解决这两类系统的核心问题。

针对这一挑战，中国的研究团队在《Journal of Materiomics》发表了一项突破性研究。他们独辟蹊径地采用摩擦涂层策略，用硫粉和硒粉作为摩擦剂，在锂箔和锂硼(LiB)合金表面构建了具有"容量补偿"功能的夹层(分别标记为LS@Li和LSe@Li)。这种基于不完全机械化学反应形成的夹层包含未反应的S/Se及其锂化产物Li₂S/Li₂Se，既能补充Li||S电池的硫损失，又能通过高界面电容引导锂均匀沉积，可谓"一石二鸟"。

研究团队主要运用了三种关键技术：摩擦涂层工艺在惰性环境中实现夹层构建，电化学阻抗谱(EIS)量化界面特性，以及对称电池/全电池测试评估实际性能。通过系统比较LS和LSe夹层的差异，发现硒基改性展现出更显著的优势。

【研究结果】

1. 形貌与物相分析
   扫描电镜(SEM)显示摩擦形成的LS和LSe夹层厚度约20 μm，X射线衍射(XRD)证实夹层中同时存在未反应的S/Se和Li₂S/Li₂Se。浸泡实验观察到电解液逐渐变黄，证明残留S/Se会持续形成多硫化物/多硒化物溶解于电解液。

2. 电化学性能
   LSe@Li的界面电容达8.14 μF/cm²，远超LS@Li的3.52 μF/cm²。对称电池测试中，LSe@Li在1 mA/cm²下稳定循环1800小时，极化电压仅10 mV。锂沉积形貌显示LSe@Li表面形成的锂层更致密，而裸锂电极则出现大量枝晶。

3. 全电池应用
   在Li||S电池中，LSe@LiB使放电容量达992.2 mAh/g，较裸LiB提升77%。对于20 mg/cm²高载量NCM811正极，LSe@Li||NCM811在200次循环后容量保持率达87%，寿命提升2.8倍。

这项研究的创新之处在于首次通过摩擦引发的机械化学反应，构建了兼具"容量补偿"和"枝晶抑制"双功能的智能夹层。特别是发现Li₂Se比Li₂S具有更优异的离子传输性能，这为界面设计提供了新认知。该策略无需复杂设备即可实现规模化制备，为高能量密度LMBs的实用化开辟了新路径。未来研究可进一步探索其他硫族元素改性剂的协同效应，以及该技术在固态电池中的适用性。