北京理工大学黄佳琦教授AM：新型聚硅氧烷粘合技术大幅提升锂金属电池循环寿命，助力无人机长时飞行

随着无人机等新兴技术的快速发展，对高能量密度电池的需求日益迫切。传统锂离子电池的能量密度已接近极限，难以满足长航时要求。锂金属电池虽具有突破500 Wh kg⁻¹的潜力，但其实际应用受限于循环过程中容量的快速衰减。这一问题的根源在于锂金属负极上固体电解质界面（SEI）的机械不稳定性——在锂沉积/剥离导致的体积反复变化下，脆弱的SEI不断破裂与再生，持续消耗活性锂和电解质，最终导致电池失效。

近日，北京理工大学黄佳琦教授、张学强预聘助理教授研究提出并通过原位聚合聚硅氧烷来粘合SEI中的无机纳米颗粒，从而构建了一种内聚力强的SEI纳米结构，显著提升了其机械稳定性。该策略采用六甲基环三硅氧烷（CTS）作为电解液添加剂，其在锂金属表面原位聚合生成的聚硅氧烷犹如“纳米胶水”，牢牢粘合了SEI中原本松散的无机组分（如LiF）。这使得SEI的弹性模量提升了109%，能够更好地适应负极体积波动，抑制SEI开裂。在实际测试条件下，采用该“粘合SEI”（G-SEI）的锂金属纽扣电池循环寿命从常规SEI（R-SEI）的183周延长至320周。更令人瞩目的是，一个能量密度高达505 Wh kg⁻¹的 prototype 软包电池实现了175次循环，并展现出优异的高倍率放电能力，成功为微型无人机供电，标志着锂金属电池向实用化迈出关键一步。相关论文以“In Situ Polymerized Polysiloxane Enables Cohesive Solid-Electrolyte Interphase for Practical Lithium-Metal Batteries”为题，发表在

Advanced Materials

研究通过理论计算与模拟揭示了CTS在锂金属表面的开环聚合机制。密度泛函理论计算表明该过程在热力学上有利，而大规模分子动力学模拟则直观展现了CTS快速聚合成长链聚硅氧烷的过程（聚合度可达10-40）。还原电位计算确定了电解液各组分的还原顺序，确保了LiF优先形成，随后CTS聚合，这一序列在界面模拟中得到复现。空间分布模拟图清晰地显示，聚合产生的聚硅氧烷填充了LiF纳米颗粒之间的空隙。

图1 | 常规SEI（R-SEI）与胶合SEI（G-SEI）在适应锂沉积引起体积变化时的示意图。（a）R-SEI因无机组分间内聚力弱，机械稳定性差，在负极体积显著变化时易破裂。（b）G-SEI通过原位聚合的六甲基环三硅氧烷（CTS）在纳米尺度上粘合无机组分，增强颗粒间内聚力，从而提升机械韧性，有效抑制SEI开裂并减少持续再生。

为了直观验证“粘合”效果，研究人员以大尺寸LiF颗粒模拟SEI中的无机组分进行了模型实验。经过弯曲和敲击测试，在含CTS的溶液或电解液中形成的模型SEI，其表面的LiF颗粒因聚硅氧烷的粘附作用而保持完整；反之，在不含CTS的条件下，LiF颗粒则完全脱落。扫描电镜图像和X射线光电子能谱分析直接证实，聚硅氧烷确实填充并粘合了LiF颗粒间的孔隙。

图2 | G-SEI的形成机制。（a）REACTER分子动力学模拟中CTS聚合的反应模板。（b）DFT计算的DME、CTS和FSI⁻的还原电位。（c）REACTER模拟中CTS衍生产物的聚合度。（d）CTS聚合产物与LiF的空间分布。（e）含CTS模型中Si⁻、C⁻、O⁻碎片的ToF-SIMS叠加图谱。（f）模型R-SEI与（g）模型G-SEI经弯曲、敲击后的光学图像。（h）模型R-SEI与（i）模型G-SEI的SEM图像，显示CTS聚合产物粘合LiF颗粒。

对真实电池体系中形成的SEI进行分析发现，G-SEI比R-SEI更薄、更均匀。冷冻透射电镜和X射线光电子能谱证实了聚硅氧烷（特征Si-O-Si键）均匀分布于整个SEI中。原位电化学原子力显微镜观测了SEI的形成过程，并测量了其机械性能。结果显示，G-SEI的平均弹性模量高达2.3 GPa，是R-SEI（1.1 GPa）的两倍以上，这直接归功于聚硅氧烷对无机颗粒的有效粘合，形成了坚固的内聚结构。

图3 | G-SEI的结构、成分与力学性能。（a）G-SEI的冷冻TEM图像。（b）G-SEI中硅分布的EDS元素图谱。（c）G-SEI在不同溅射时间下的XPS Si 2p谱图。（d）R-SEI与（e）G-SEI在0.4 V下的EC-AFM图像。（f）R-SEI与（g）G-SEI在0.4 V下的DMT模量分布图。（h）R-SEI与G-SEI的DMT模量分布对比。

性能测试结果令人振奋。采用高负载正极和薄锂负极的纽扣电池，在G-SEI的保护下循环寿命提升75%。沉积的锂金属形貌更均匀致密，死锂层更薄。界面阻抗分析表明，G-SEI虽然略微增加了SEI本身的电阻，但显著降低了电荷转移阻抗，这得益于死锂积累的减少，从而大幅降低了总界面阻抗，有利于延长循环寿命。研究进一步制备了能量密度达505 Wh kg⁻¹的5.1 Ah软包电池，在苛刻的贫电解液条件下稳定循环175次，性能优于此前多数报道。

图4 | 胶合SEI在实际锂金属软包电池中的性能。（a）纽扣电池循环性能对比。（b–e）锂沉积形貌SEM图像。（f）界面阻抗演变。（g）软包电池循环稳定性与（h）容量保持率。

为验证其在实际高功率场景下的适用性，研究团队模拟无人机飞行的苛刻放电协议（包含5C起飞、1C悬停、5C降落阶段）对软包电池进行测试。采用G-SEI的电池循环120次后容量保持率达78.2%，其高倍率性能在同类高能量密度电池中处于领先地位。最终，该电池成功作为唯一电源集成到微型无人机中，完成了完整的起飞、悬停、降落飞行过程，证明了其卓越的实用化潜力。

图5 | 用于微型无人机应用的锂金属软包电池高倍率放电性能。（a）微型无人机飞行操作示意图。（b）模拟无人机功率需求的苛刻放电协议。（c）循环稳定性与（d）第5周电压曲线。（e）与以往研究的>400 Wh kg⁻¹锂金属软包电池高倍率性能对比。（f）微型无人机平台技术参数。（g）系统集成示意图与（h）由G-SEI软包电池供电的无人机操作照片。

这项研究成功展示了一种通过原位聚合聚硅氧烷粘合SEI无机纳米颗粒来增强其机械稳定性的通用策略。所构筑的G-SEI能有效抑制SEI破裂与再生，减少活性物质消耗，从而显著提升了锂金属电池在实际条件下的循环寿命和高倍率性能，并在无人机供电演示中展现了现实应用的可行性。该工作为开发耐用、高能量密度的锂金属电池开辟了新途径。