通过原位聚合三甲磷酸酯和碳酸乙烯酯制备的界面层，使得固态锂金属电池具有更长的使用寿命

《Journal of Colloid and Interface Science》：An interfacial layer constructed by in situ polymerizing trimethyl phosphate and ethylene carbonate enabling durable solid-state Lithium metal batteries

采用在 situ 聚合方法将聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）与磷酸三甲酯（TMP）和碳酸乙烯酯（EC）复合，构建了Li||LiFePO4和Li||NCM811电池中稳定的固态电解质界面（SEI/CEI）层，有效调控锂离子配位环境及溶剂结构，抑制枝晶生长和副反应，分别实现93.83%和68.47%的循环容量保持率。

　　近年来，随着电子设备和新能源汽车对高能量密度电池的迫切需求，固态电池技术正成为研究的热点。在众多固态电解质材料中，基于石榴石结构的锂镧锆氧（Li7La3Zr2O12，简称LLZO）复合固态电解质（CSEs）因其高离子导电性和一定的柔韧性而备受关注。然而，这类材料在与锂金属负极接触时常常面临界面不稳定性的问题，这不仅会引发锂枝晶的生长，还可能导致副反应的发生，从而影响电池的循环性能和安全性。

为了解决上述问题，研究人员提出了一种通过原位聚合技术构建的界面层（TPELL层）。该界面层由三甲基磷酸（TMP）和乙ylene carbonate（EC）两种单体在锂金属负极与复合固态电解质之间进行共聚反应形成。这种共聚策略有效地调控了界面层内的溶剂结构，进而改变了锂离子（Li?）的配位环境，提升了界面的机械强度。此外，EC与锂六氟磷酸盐（LiPF6）的结合使用进一步促进了更稳定的锂金属负极/电解质界面的形成，从而抑制了锂枝晶的生长并提高了电池的循环寿命。

在实际应用中，这一创新方法在锂金属负极与锂铁磷酸盐（LiFePO4，简称LFP）正极组成的电池中表现出优异的性能。经过750次循环后，该电池的容量保持率达到了93.83%。同样，在锂镍钴锰三元正极（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，简称NCM811）组成的电池中，经过350次循环后，其容量保持率也达到了130.1 mAh g?1。这些数据表明，TPELL层在提升固态电池性能方面具有显著的优势。

进一步的实验分析显示，TPELL层的引入有助于保持正极结构的完整性。通过形成多功能的正极电解质界面（CEI），该界面层有效抑制了过渡金属的溶解，并缓解了界面处的电阻问题。这一成果为解决固态锂金属电池中长期存在的电极-电解质界面问题提供了新的思路。通过原位聚合策略，不仅可以实现电极与电解质之间的紧密接触，还能够显著降低界面阻抗，提高锂离子的传输效率。

除了在负极界面的应用，TPELL层在正极界面也展现出良好的效果。研究人员发现，通过在正极与电解质之间构建类似的界面层，可以有效提升电池的整体性能。这种界面层的构建不仅依赖于单体的选择，还涉及到聚合条件的优化，包括温度、压力以及反应时间等因素。通过精确控制这些参数，可以实现界面层的均匀性和稳定性，从而进一步优化电池的电化学性能。

此外，TPELL层的形成还涉及到对电解质成分的深入研究。研究团队指出，EC和LiPF6的协同作用不仅能够改善溶剂结构，还能够抑制TMP在界面层中的分解。这种协同效应使得形成的SEI层更加均匀和稳固，从而为锂金属负极提供了更有效的保护。同时，这种策略也适用于正极材料，通过构建CEI层，进一步提升了正极材料的稳定性。

在实际操作中，研究人员采用了多种技术手段来验证TPELL层的效果。例如，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察电池在循环过程中的结构变化，发现TPELL层能够有效抑制锂枝晶的生长，并保持正极材料的完整性。同时，通过电化学阻抗谱（EIS）分析，研究人员发现TPELL层显著降低了界面阻抗，提高了电池的导电性能。

在材料合成方面，TPELL层的构建通常需要在特定的条件下进行。例如，使用聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）作为交联剂，与TMP和EC共同作用，形成具有特定结构的界面层。这种材料的合成过程需要在氩气保护的环境中进行，以防止空气中的水分和氧气对反应的影响。通过这种方法，研究人员成功地制备出了具有优良性能的TPELL层，并将其应用于实际的电池系统中。

在实验设计上，研究团队还进行了系统的性能测试，以评估TPELL层对电池性能的具体影响。测试结果表明，采用TPELL层的固态电池在高电流密度下仍能保持较高的容量保持率。这表明，TPELL层不仅能够提升电池的循环稳定性，还能够有效应对高倍率充放电带来的挑战。这种性能的提升对于开发高能量密度的固态电池具有重要意义。

研究团队还探讨了TPELL层在不同电池体系中的适用性。例如，在锂金属负极与NCM811正极组成的电池中，TPELL层同样表现出优异的性能。通过调整EC和LiPF6的比例，研究人员发现可以进一步优化界面层的性能，从而提高电池的整体表现。这种灵活性使得TPELL层能够适应多种电池体系，为未来的电池设计提供了更多的可能性。

从材料科学的角度来看，TPELL层的构建不仅涉及化学反应的控制，还需要对材料的物理性质进行深入研究。例如，通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，研究人员能够更好地理解TPELL层的结构特征及其对锂离子传输的影响。这些分析结果为后续的材料优化提供了重要的理论依据。

在实际应用中，TPELL层的引入还面临着一些挑战。例如，如何在大规模生产中保持界面层的均匀性和稳定性，以及如何在不同的电池设计中实现最佳的性能表现。这些问题需要进一步的研究和实验验证。此外，TPELL层的长期稳定性也是一个重要的考量因素，尤其是在高温和高电流密度条件下。

为了克服这些挑战，研究团队提出了一系列优化策略。例如，通过调整聚合条件，如温度和压力，可以控制界面层的形成过程，从而获得更均匀的结构。同时，通过引入其他添加剂，如氟乙烯碳酸酯（FEC），可以进一步改善界面层的性能。这些优化措施不仅有助于提升电池的性能，还能够降低生产成本，提高材料的利用率。

从环境和安全的角度来看，TPELL层的构建对于推动固态电池的商业化具有重要意义。传统的液态电解质存在一定的安全隐患，而TPELL层的引入能够有效解决这些问题。通过形成稳定的界面层，不仅可以减少锂枝晶的生长，还能够抑制副反应的发生，从而提高电池的安全性。

此外，TPELL层的构建还涉及到对电池寿命的延长。通过提高界面的稳定性，研究人员发现电池的循环寿命得到了显著的提升。例如，在Li||LFP电池中，经过750次循环后，容量保持率仍能达到93.83%。这一结果表明，TPELL层能够有效延缓电池性能的衰减，从而延长电池的使用寿命。

在理论研究方面，TPELL层的构建还为理解锂离子在固态电解质中的传输机制提供了新的视角。通过研究界面层的结构和性能，研究人员能够更好地掌握锂离子在不同材料界面处的行为，从而为未来的材料设计和优化提供理论支持。

综上所述，TPELL层的构建为解决固态锂金属电池中的界面问题提供了一种有效的策略。通过原位聚合技术，研究人员成功地实现了电极与电解质之间的紧密接触，并显著提升了电池的性能和安全性。这一研究成果不仅为固态电池的发展提供了新的思路，还为未来的高能量密度电池设计奠定了基础。随着相关技术的不断进步，TPELL层有望成为固态电池领域的重要组成部分，推动其在实际应用中的进一步发展。