锂金属电池具有高能量密度，有望成为下一代电池，目前产业界也正在对锂金属电池进行积极的研发和布局。但是锂金属电池仍然面临着一些问题。
由于其超高化学反应性，锂金属阳极可以很容易地与有机电解质反应，在表面产生共形固体电解质间相（SEI），这可以稳定锂金属阳极并避免进一步的寄生反应。不幸的是，原位形成的SEI层可能导致不均匀的Li+通量和局域SEI的持续开裂，新鲜的Li表面暴露在电解质下。因此，不均匀的锂沉积和电解质消耗逐渐提高，最终导致低库仑效率和快速电池故障。
在下一代电池所需的高电流密度和大面积容量下，这些问题严重恶化；特别是，在这种情况下，内部短路可能是由锂枝晶引起的，导致严重的安全隐患。因此，开发替代人工保护层以取代原生SEI以实现稳定的锂金属阳极至关重要。
近日，中山大学吴丁财教授和刘绍鸿副教授等人在Nat. Nanotechnol.上发表最新工作，A robust all-organic protective layer towards ultrahigh-rate and large-capacity Li metal anodes，开发了一种坚固的全有机的锂保护层，来实现高倍率和大容量的锂金属电池。
（1）无机层因其高Li+导电性和高机械模量而具有吸引力，而其本质上脆性和与锂金属阳极的界面接触薄弱，锂枝晶沿晶界的生长，仍然是不可避免的问题。
（2）具有高柔韧性的软聚合物可以更好地覆盖锂金属阳极，并适应循环过程中发生的体积变化，但其机械鲁棒性不足以抑制枝晶的传播。
（3）无机纳米填充物纳入聚合物基质的“刚柔并济”策略，结合了两个组件的优点。但是，无机材料容易在聚合物基质中聚集，导致机械强度和离子通量分布不均匀（图1a）。此外，无机材料损害了电池的能量密度。
在此，作者首次报告了一类坚固的全有机薄膜作为人工保护层，以便在高电流密度和大面积容量下实现长期的锂电镀/剥落循环（图1b）。这种新型全有机人工保护层的关键是使用聚(低聚乙二醇)甲基丙烯酸甲酯接枝的超交联聚（4-氯甲基苯乙烯）（xPCMS-g-PEGMA）纳米球作为多孔纳米填充物，以增强单离子导电锂化萘酚（LN）薄膜。得益于刚性超交联骨架，超交联聚（4-氯甲基苯乙烯）（xPCMS）内核可以大大提高LN薄膜的机械鲁棒性，而多孔聚合物结构使由此产生的人工保护层重量轻，以及足够的离子扩散通道。
此外，毛状聚(低聚乙二醇)甲基丙烯酸甲酯(PEGMA)链有利于xPCMS-g-PEGMA纳米填料与LN的均相复合，LN聚合物使保护层具有良好的结构完整性。在Li+转移数较高的情况下，可以促进均匀高效的Li+扩散。
因此，这种xPCMS-g-PEGMA/LN保护的锂阳极可以使对称电池以10 mA cm−2的超高电流密度循环长达9100 h（>1年）。值得注意的是，在10 mAh cm−2的高面积容量下和10 mA cm−2的情况下，可以实现前所未有的循环性（2800小时）。此外，当与高负载阴极（21.6mg cm−2，~4 mAh cm−2）配对时，xPCMS-g-PEGMA/LN保护的薄锂阳极（~10 mAh cm−2）也与裸锂阳极相比，电池稳定性也大大提高，这表明了其在锂金属电池中的实际应用前景。
作者沿用了“刚柔并济”的思路，但是在“刚”的部分，作者利用了有机的颗粒来实现对无机颗粒的替代，在有机颗粒上还修饰了接枝，这种结构不仅降低了人工保护层的重量，还有利于“刚”性颗粒与“柔”性基质的完美复合，使得人工保护层能够均匀的调节Li+的迁移和扩散，防止了枝晶的形成。
Li, S., Huang, J., Cui, Y. et al. A robust all-organic protective layer towards ultrahigh-rate and large-capacity Li metal anodes. Nat. Nanotechnol. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41565-022-01107-2
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