北京理工大學黃佳琦教授AM：新型聚硅氧烷粘合技術大幅提升鋰金屬電池循環壽命，助力無人機長時飛行

隨著無人機等新興技術的快速發展，對高能量密度電池的需求日益迫切。傳統鋰離子電池的能量密度已接近極限，難以滿足長航時要求。鋰金屬電池雖具有突破500 Wh kg?1的潛力，但其實際應用受限于循環過程中容量的快速衰減。這一問題的根源在于鋰金屬負極上固體電解質界面（SEI）的機械不穩定性——在鋰沉積/剝離導致的體積反復變化下，脆弱的SEI不斷破裂與再生，持續消耗活性鋰和電解質，最終導致電池失效。

近日，北京理工大學黃佳琦教授、張學強預聘助理教授研究提出并通過原位聚合聚硅氧烷來粘合SEI中的無機納米顆粒，從而構建了一種內聚力強的SEI納米結構，顯著提升了其機械穩定性。該策略采用六甲基環三硅氧烷（CTS）作為電解液添加劑，其在鋰金屬表面原位聚合生成的聚硅氧烷猶如“納米膠水”，牢牢粘合了SEI中原本松散的無機組分（如LiF）。這使得SEI的彈性模量提升了109%，能夠更好地適應負極體積波動，抑制SEI開裂。在實際測試條件下，采用該“粘合SEI”（G-SEI）的鋰金屬紐扣電池循環壽命從常規SEI（R-SEI）的183周延長至320周。更令人矚目的是，一個能量密度高達505 Wh kg?1的 prototype 軟包電池實現了175次循環，并展現出優異的高倍率放電能力，成功為微型無人機供電，標志著鋰金屬電池向實用化邁出關鍵一步。相關論文以“In Situ Polymerized Polysiloxane Enables Cohesive Solid-Electrolyte Interphase for Practical Lithium-Metal Batteries”為題，發表在

Advanced Materials

研究通過理論計算與模擬揭示了CTS在鋰金屬表面的開環聚合機制。密度泛函理論計算表明該過程在熱力學上有利，而大規模分子動力學模擬則直觀展現了CTS快速聚合成長鏈聚硅氧烷的過程（聚合度可達10-40）。還原電位計算確定了電解液各組分的還原順序，確保了LiF優先形成，隨后CTS聚合，這一序列在界面模擬中得到復現。空間分布模擬圖清晰地顯示，聚合產生的聚硅氧烷填充了LiF納米顆粒之間的空隙。

圖1 | 常規SEI（R-SEI）與膠合SEI（G-SEI）在適應鋰沉積引起體積變化時的示意圖。（a）R-SEI因無機組分間內聚力弱，機械穩定性差，在負極體積顯著變化時易破裂。（b）G-SEI通過原位聚合的六甲基環三硅氧烷（CTS）在納米尺度上粘合無機組分，增強顆粒間內聚力，從而提升機械韌性，有效抑制SEI開裂并減少持續再生。

為了直觀驗證“粘合”效果，研究人員以大尺寸LiF顆粒模擬SEI中的無機組分進行了模型實驗。經過彎曲和敲擊測試，在含CTS的溶液或電解液中形成的模型SEI，其表面的LiF顆粒因聚硅氧烷的粘附作用而保持完整；反之，在不含CTS的條件下，LiF顆粒則完全脫落。掃描電鏡圖像和X射線光電子能譜分析直接證實，聚硅氧烷確實填充并粘合了LiF顆粒間的孔隙。

圖2 | G-SEI的形成機制。（a）REACTER分子動力學模擬中CTS聚合的反應模板。（b）DFT計算的DME、CTS和FSI?的還原電位。（c）REACTER模擬中CTS衍生產物的聚合度。（d）CTS聚合產物與LiF的空間分布。（e）含CTS模型中Si?、C?、O?碎片的ToF-SIMS疊加圖譜。（f）模型R-SEI與（g）模型G-SEI經彎曲、敲擊后的光學圖像。（h）模型R-SEI與（i）模型G-SEI的SEM圖像，顯示CTS聚合產物粘合LiF顆粒。

對真實電池體系中形成的SEI進行分析發現，G-SEI比R-SEI更薄、更均勻。冷凍透射電鏡和X射線光電子能譜證實了聚硅氧烷（特征Si-O-Si鍵）均勻分布于整個SEI中。原位電化學原子力顯微鏡觀測了SEI的形成過程，并測量了其機械性能。結果顯示，G-SEI的平均彈性模量高達2.3 GPa，是R-SEI（1.1 GPa）的兩倍以上，這直接歸功于聚硅氧烷對無機顆粒的有效粘合，形成了堅固的內聚結構。

圖3 | G-SEI的結構、成分與力學性能。（a）G-SEI的冷凍TEM圖像。（b）G-SEI中硅分布的EDS元素圖譜。（c）G-SEI在不同濺射時間下的XPS Si 2p譜圖。（d）R-SEI與（e）G-SEI在0.4 V下的EC-AFM圖像。（f）R-SEI與（g）G-SEI在0.4 V下的DMT模量分布圖。（h）R-SEI與G-SEI的DMT模量分布對比。

性能測試結果令人振奮。采用高負載正極和薄鋰負極的紐扣電池，在G-SEI的保護下循環壽命提升75%。沉積的鋰金屬形貌更均勻致密，死鋰層更薄。界面阻抗分析表明，G-SEI雖然略微增加了SEI本身的電阻，但顯著降低了電荷轉移阻抗，這得益于死鋰積累的減少，從而大幅降低了總界面阻抗，有利于延長循環壽命。研究進一步制備了能量密度達505 Wh kg?1的5.1 Ah軟包電池，在苛刻的貧電解液條件下穩定循環175次，性能優于此前多數報道。

圖4 | 膠合SEI在實際鋰金屬軟包電池中的性能。（a）紐扣電池循環性能對比。（b–e）鋰沉積形貌SEM圖像。（f）界面阻抗演變。（g）軟包電池循環穩定性與（h）容量保持率。

為驗證其在實際高功率場景下的適用性，研究團隊模擬無人機飛行的苛刻放電協議（包含5C起飛、1C懸停、5C降落階段）對軟包電池進行測試。采用G-SEI的電池循環120次后容量保持率達78.2%，其高倍率性能在同類高能量密度電池中處于領先地位。最終，該電池成功作為唯一電源集成到微型無人機中，完成了完整的起飛、懸停、降落飛行過程，證明了其卓越的實用化潛力。

圖5 | 用于微型無人機應用的鋰金屬軟包電池高倍率放電性能。（a）微型無人機飛行操作示意圖。（b）模擬無人機功率需求的苛刻放電協議。（c）循環穩定性與（d）第5周電壓曲線。（e）與以往研究的>400 Wh kg?1鋰金屬軟包電池高倍率性能對比。（f）微型無人機平臺技術參數。（g）系統集成示意圖與（h）由G-SEI軟包電池供電的無人機操作照片。

這項研究成功展示了一種通過原位聚合聚硅氧烷粘合SEI無機納米顆粒來增強其機械穩定性的通用策略。所構筑的G-SEI能有效抑制SEI破裂與再生，減少活性物質消耗，從而顯著提升了鋰金屬電池在實際條件下的循環壽命和高倍率性能，并在無人機供電演示中展現了現實應用的可行性。該工作為開發耐用、高能量密度的鋰金屬電池開辟了新途徑。