离子聚合物可控接枝实现高能量密度锂金属电池的超快充电

为解决锂金属电池（LMBs）在极端快速充电（XFC）下因界面极化和枝晶生长导致的能量密度与充电速率矛盾，复旦大学团队设计了一种化学锚定于集流体的纳米级单离子导电固体聚合物界面（SPI）。该界面通过光控自由基聚合技术构建，显著加速电荷转移并促进均匀锂成核，实现了>300 Wh kg?1能量密度下10 C倍率（6分钟充电）的高效运行。这一突破为快充技术提供了全新界面调控范式。

　　

锂金属电池（LMBs）被誉为储能领域的“圣杯”，其理论能量密度远超商用锂离子电池（LIBs）。然而，无宿主特性的金属锂负极在极端快速充电（XFC）条件下面临严峻挑战：剧烈的界面极化导致电荷转移受阻，锂枝晶疯长引发安全隐患，能量密度与充电速率形成不可调和的矛盾。美国能源部提出的XFC目标（15分钟内充至80%电量）更将这一矛盾推向极致。传统固态电解质界面（SEI）的动态不稳定性使其难以胜任高倍率下的界面调控，而集流体（CC）界面工程虽被寄予厚望，却受限于涂层厚度与化学锚定难题。

复旦大学陈茂团队独辟蹊径，通过表面引发光控自由基聚合（photo-CRP）技术，在集流体上构建了分子级精确的纳米薄层（8-25 nm）单离子导电固体聚合物界面（SPI）。这种由全氟磺酰亚胺锂乙烯醚（LiPFSVE）与聚环氧乙烷乙烯醚（PEO-VE）交替排列组成的SPI，兼具机械强度与超高锂离子迁移数（t_Li⁺=0.87）。其丰富的亲锂位点（磺酰亚胺/醚键）可协同促进电解液中锂离子的脱溶剂化，而均匀分布的离子基团则显著降低界面扩散能垒。

关键方法
研究采用表面引发photo-CRP技术构建SPI，通过分子动力学模拟优化聚合物序列设计；利用冷冻透射电镜（cryo-TEM）解析锂沉积晶面取向；结合电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定技术（GITT）量化界面动力学参数；采用厚电极（4 mAh cm^?2）和贫电解液（2.5 g Ah^?1）条件验证实际应用潜力。

聚合物设计实现快速电荷转移动力学
SPI的交替序列结构使离子基团分布均匀化，分子动力学模拟显示其界面锂离子扩散系数较传统SEI提升2个数量级。原位光谱证实磺酰亚胺基团可削弱Li⁺-溶剂相互作用，将脱溶剂化活化能从0.72 eV降至0.35 eV。

界面调控诱导致密锂沉积
cryo-TEM首次观察到SPI界面诱导的Li(110)晶面择优生长，这种紧密堆积结构使初始成核尺寸增大至1.2 μm（对照组仅200 nm）。X射线光电子能谱（XPS）证实SPI在循环后仍保持化学稳定性，而对照组SEI则持续重构。

电池性能突破
在4 C（15分钟充电）和10 C（6分钟充电）条件下，SPI修饰的LMBs分别实现94%和75%的充电深度，能量密度达329 Wh kg^?1和315 Wh kg^?1。组装的1.2 Ah软包电池在300次循环后容量保持率达91%，远超行业XFC目标。

这项研究颠覆了传统SEI调控策略，通过集流体界面分子工程同步解决快充过程中的热力学和动力学障碍。所提出的“界面电荷转移调控”新范式，不仅适用于锂金属体系，更为钠/钾金属电池等快充技术开辟道路。论文发表于《Joule》时，审稿人高度评价其为“界面工程领域的范式转变”。