PDMS-SiO2 原位聚合构建高性能锂金属电池超薄人工保护层的研究

　　锂金属电池（LMBs）因枝晶生长和界面副反应阻碍其商业化应用。本研究通过原位聚合法在锂负极表面构建1.5 μm厚的聚二甲基硅氧烷-二氧化硅（PDMS-SiO2 /PSA）人工保护层，兼具高锂离子迁移数（tLi+ =0.57）和疏水性，诱导形成富LiF的SEI层，显著提升LiFePO4 全电池（138.7 mAh g?1 @1C）和Li-O2 电池（105次循环）性能，为苛刻环境下的锂金属电池应用提供技术支撑。

　　

锂金属电池（LMBs）因其3860 mAh g^?1
的超高理论容量被视为下一代高能量密度储能器件，但锂枝晶生长、电解液副反应和死锂形成等问题严重制约其实际应用。尤其在开放体系（如Li-O₂
电池）或高湿度环境中，传统保护层难以兼顾离子传导与界面稳定性。现有技术如涂覆法存在厚度不均、溅射工艺复杂等问题，亟需开发兼具超薄、强附着和多功能性的新型保护层。

针对这一挑战，广西创新驱动发展项目资助团队提出通过原位聚合构建PDMS-SiO₂
（PSA）复合保护层。研究采用热引发聚合将PDMS单体与疏水SiO₂
纳米颗粒直接交联于锂金属表面，通过XRD、电化学测试及显微表征等技术，系统评估了保护层的结构特性与电化学性能。

关键技术与方法

1. 原位热聚合：在锂箔表面直接引发PDMS与SiO₂
   的共聚反应，形成1.5 μm超薄层
2. 界面表征：XRD分析结晶度（PSA降至14.1%），接触角测试验证疏水性
3. 电化学测试：对称电池循环（0.1 mA cm^?2
   下3000小时）、全电池性能评估（LiFePO₄
   和Li-O₂
   体系）
4. SEI组分分析：XPS揭示LiF富集机制

研究结果

1. 结构与性能：PSA层通过降低PDMS结晶度（25.7%→14.1%）提升Li⁺
   迁移能力（t_Li+
   =0.57），接触角>120°实现超疏水特性。
2. 电化学行为：诱导阴离子分解形成LiF-rich SEI，抑制枝晶生长。对称电池在含6000 ppm H₂
   O电解液中仍稳定运行1400小时。
3. 全电池表现：LiFePO₄
   电池在5C下保持107 mAh g^?1
   ；Li-O₂
   电池循环寿命提升105倍，高湿环境下稳定循环100次。

结论与意义
该研究创新性地将PDMS的疏水性与SiO₂
的界面调控作用结合，通过原位聚合实现保护层-锂基底的强结合。PSA层通过三重作用机制（离子筛分、枝晶抑制、腐蚀阻断）显著提升电池性能，尤其在高湿和氧化性环境中展现出卓越稳定性。发表于《Journal of Colloid and Interface Science》的这项工作，为恶劣工况下锂金属电池的实用化提供了可规模化制备的界面工程方案。