氮化鎂與季銨鹽原位聚合物：鋰負(fù)極保護(hù)的創(chuàng)新策略與協(xié)同機(jī)制

氮化鎂與季銨鹽原位聚合物：鋰負(fù)極保護(hù)的創(chuàng)新策略與協(xié)同機(jī)制一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今的電池技術(shù)領(lǐng)域，鋰金屬負(fù)極以其獨(dú)特的優(yōu)勢占據(jù)著極為重要的地位。鋰金屬具有高達(dá)3860mAh/g的理論比容量，這一數(shù)值約為傳統(tǒng)石墨負(fù)極的10倍，能夠?yàn)殡姵靥峁└鼜?qiáng)大的能量存儲能力。同時，其極低的氧化還原電位（-3.04Vvs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極），使得鋰金屬在與正極材料匹配時，能夠顯著提升電池的輸出電壓，進(jìn)而提高電池的能量密度。例如，與高電壓正極搭配使用時，可輕松使電池能量密度達(dá)到400Wh/kg以上，這對于滿足現(xiàn)代社會對高能量密度電池的需求，推動電動汽車、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。然而，鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中鋰枝晶和死鋰的產(chǎn)生尤為突出。在電池充放電過程中，由于負(fù)極表面鋰離子（Li+）不均勻沉積，使得電極表面電流密度分布不均，鋰離子會在多個成核位點(diǎn)形成鋰枝晶。這些鋰枝晶就像尖銳的樹枝，在電池內(nèi)部不斷生長。隨著鋰枝晶的持續(xù)生長，它們有可能刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，引發(fā)熱失控等嚴(yán)重的安全事故，就如同電路中的導(dǎo)線被意外接通，引發(fā)電流的異常流動，從而對電池的安全性構(gòu)成巨大威脅。同時，鋰離子在沉積/溶解過程中的體積效應(yīng)也會造成鋰金屬內(nèi)部的應(yīng)力變化，導(dǎo)致負(fù)極界面不穩(wěn)定以及金屬鋰粉化。在電池充放電循環(huán)過程中，鋰還會在成核位點(diǎn)以微小鋰絲的形式從電極表面脫離，形成死鋰。死鋰的產(chǎn)生不僅造成了電池中鋰源的損失，導(dǎo)致電池的容量衰減，循環(huán)壽命降低，還會進(jìn)一步消耗電解質(zhì)，使電池的循環(huán)性能進(jìn)一步惡化，就像電池內(nèi)部的能量儲備不斷被消耗，卻無法得到有效的補(bǔ)充。為了解決這些問題，眾多科研人員進(jìn)行了大量的研究，其中利用氮化鎂和季銨鹽原位聚合物對鋰負(fù)極進(jìn)行保護(hù)成為了一個重要的研究方向。氮化鎂作為一種添加劑，與金屬鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，能夠?yàn)槠浞勰┰谌廴阡囍械姆稚⑻峁?qiáng)大的驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)分散過程。原位生成的氮化鋰具有強(qiáng)反應(yīng)活性，可促進(jìn)熔融鋰對容器的潤濕和鋪展，簡化電池組裝過程。同時，氮化鋰還有可能與氧化物電解質(zhì)在界面處發(fā)生反應(yīng)，增強(qiáng)鋰與石榴石界面的結(jié)合，提高固態(tài)電解質(zhì)對鋰枝晶的耐受能力和電池的循環(huán)穩(wěn)定性。季銨鹽原位聚合物則通過調(diào)控陽離子尺寸，實(shí)現(xiàn)對陽離子與NO3-間結(jié)合能的調(diào)控，促進(jìn)NO3-在碳酸酯類電解質(zhì)中的溶解，從而在金屬鋰電極/電解質(zhì)界面構(gòu)建含Li3N的高鋰離子電導(dǎo)率固體電解質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)鋰金屬電極表面鋰的均勻沉積和剝離，有效提升鋰負(fù)極的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性。綜上所述，研究氮化鎂和季銨鹽原位聚合物在鋰負(fù)極保護(hù)中的應(yīng)用，對于解決鋰金屬負(fù)極面臨的問題，提高電池的安全性、循環(huán)壽命和能量密度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，有望為電池技術(shù)的發(fā)展帶來新的突破，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋰負(fù)極保護(hù)的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者圍繞氮化鎂和季銨鹽原位聚合物展開了諸多探索，取得了一系列具有重要價值的成果。在氮化鎂用于鋰負(fù)極保護(hù)方面，清華大學(xué)材料學(xué)院汪長安教授和董巖皓助理教授的研究成果具有開創(chuàng)性意義。他們提出在熔融金屬鋰中加入反應(yīng)型氮化鎂添加劑，這一創(chuàng)新性舉措通過化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動力實(shí)現(xiàn)了添加劑在熔融鋰中的均勻分散。原位生成的氮化鋰展現(xiàn)出強(qiáng)反應(yīng)活性，極大地促進(jìn)了熔融鋰對容器的潤濕和鋪展，從而簡化了電池組裝過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加入氮化鎂后，鋰對稱電池在室溫和40℃下，以0.3mA/cm2電流密度均可穩(wěn)定循環(huán)超過400小時，在0.5mA/cm2的更大電流密度下也能穩(wěn)定循環(huán)超過700小時，充分證明了其在提高固態(tài)電解質(zhì)對鋰枝晶的耐受能力和電池循環(huán)穩(wěn)定性方面的顯著成效。這一成果發(fā)表在《AngewandteChemieInternationalEdition》期刊上，為氮化鎂在鋰負(fù)極保護(hù)中的應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)踐依據(jù)。對于季銨鹽原位聚合物在鋰負(fù)極保護(hù)中的應(yīng)用，特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙勇課題組做出了突出貢獻(xiàn)。他們發(fā)展的“陽離子尺寸效應(yīng)”策略，為解決鋰負(fù)極面臨的問題提供了全新的思路。通過精確調(diào)控季銨鹽的陽離子尺寸，實(shí)現(xiàn)了對陽離子電荷局域化狀態(tài)的有效調(diào)控，進(jìn)而調(diào)控了陽離子與NO??間的結(jié)合能，成功促進(jìn)了四乙基硝酸銨（TEAN）在碳酸乙烯酯（EC）中的高溶解度（1.8M）。以四乙基硝酸銨作為碳酸酯類電解質(zhì)的添加劑，在金屬鋰電極/電解質(zhì)界面成功構(gòu)建了含Li?N的高鋰離子電導(dǎo)率固體電解質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬電極表面鋰的均勻沉積和剝離。這一成果有效提升了鋰-銅電池、鋰-鋰對稱電池、鋰-磷酸鐵鋰電池和鋰-三元鎳鈷錳電池的循環(huán)壽命，相關(guān)成果發(fā)表在國際頂級期刊《美國化學(xué)會能源通訊》（ACSEnergyLetters）上。盡管國內(nèi)外在氮化鎂、季銨鹽原位聚合物用于鋰負(fù)極保護(hù)方面已取得上述重要進(jìn)展，但當(dāng)前研究仍存在一些不足之處和亟待解決的問題。在氮化鎂的研究中，雖然其能夠改善鋰對石榴石電解質(zhì)的潤濕行為，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性，但對于氮化鎂與金屬鋰以及其他電池組件之間的長期化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定性，還缺乏深入系統(tǒng)的研究。長期使用過程中，氮化鎂是否會與電解質(zhì)或其他材料發(fā)生副反應(yīng)，進(jìn)而影響電池的性能和壽命，這是需要進(jìn)一步探究的關(guān)鍵問題。在季銨鹽原位聚合物的研究方面，雖然“陽離子尺寸效應(yīng)”策略取得了顯著成效，但該策略在實(shí)際應(yīng)用中的普適性和可擴(kuò)展性仍有待驗(yàn)證。不同類型的季銨鹽在不同的電解質(zhì)體系和電池工作條件下，其性能表現(xiàn)可能存在較大差異。如何篩選和設(shè)計(jì)出具有更廣泛適用性的季銨鹽原位聚合物，以滿足不同電池體系的需求，是未來研究需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。此外，季銨鹽原位聚合物的制備工藝和成本也是制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素，目前的制備工藝相對復(fù)雜，成本較高，如何優(yōu)化制備工藝，降低成本，提高其在實(shí)際生產(chǎn)中的可行性，也是亟待解決的問題。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞氮化鎂和季銨鹽原位聚合物在鋰負(fù)極保護(hù)中的應(yīng)用展開，具體研究內(nèi)容和方法如下：1.3.1研究內(nèi)容氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的制備：探索合適的制備工藝，合成高純度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的氮化鎂和具有特定陽離子尺寸的季銨鹽原位聚合物。在氮化鎂的制備過程中，嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、時間以及反應(yīng)物的比例，采用高溫固相反應(yīng)法，將鎂粉與氮?dú)庠诟邷馗邏涵h(huán)境下反應(yīng)，以獲得結(jié)晶度高、粒徑均勻的氮化鎂。對于季銨鹽原位聚合物，依據(jù)“陽離子尺寸效應(yīng)”，通過精心設(shè)計(jì)的有機(jī)合成路線，精確調(diào)控陽離子的結(jié)構(gòu)和尺寸，以實(shí)現(xiàn)對陽離子與NO??間結(jié)合能的有效調(diào)控。材料表征：運(yùn)用多種先進(jìn)的分析技術(shù)，對制備的氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的結(jié)構(gòu)、形貌和成分進(jìn)行全面表征。使用X射線衍射（XRD）分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，通過XRD圖譜確定氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的晶體相，分析其結(jié)晶度和晶格參數(shù)，從而了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察材料的微觀形貌，從SEM圖像中獲取材料的表面形態(tài)、顆粒大小和分布情況，通過TEM進(jìn)一步觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，如內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和納米級的形貌特征。采用X射線光電子能譜（XPS）分析材料的化學(xué)成分和元素價態(tài)，確定材料表面元素的組成和化學(xué)狀態(tài)，為后續(xù)的性能研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鋰負(fù)極保護(hù)性能測試：將制備的氮化鎂和季銨鹽原位聚合物應(yīng)用于鋰金屬負(fù)極，系統(tǒng)測試其對鋰負(fù)極的保護(hù)性能。組裝鋰對稱電池，通過循環(huán)伏安法（CV）、恒電流充放電測試（GCD）和電化學(xué)阻抗譜（EIS）等電化學(xué)測試手段，研究鋰金屬在不同條件下的沉積和剝離行為，評估電池的循環(huán)穩(wěn)定性、庫倫效率和界面電阻等性能指標(biāo)。在循環(huán)伏安測試中，觀察鋰沉積和剝離過程中的氧化還原峰，分析其峰電流和峰電位的變化，以評估電極反應(yīng)的可逆性和動力學(xué)特性。恒電流充放電測試則用于獲取電池在不同電流密度下的充放電曲線，計(jì)算庫倫效率和循環(huán)壽命。電化學(xué)阻抗譜通過測量電池在不同頻率下的交流阻抗，分析電池內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移過程和界面電阻，深入了解電池的電化學(xué)性能。同時，觀察電池在充放電過程中的鋰枝晶生長情況，使用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡對電池循環(huán)后的電極表面進(jìn)行觀察，直觀地分析鋰枝晶的生長形態(tài)和分布情況，評估氮化鎂和季銨鹽原位聚合物對鋰枝晶生長的抑制效果。作用機(jī)制研究：深入探究氮化鎂和季銨鹽原位聚合物對鋰負(fù)極的保護(hù)作用機(jī)制。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，從微觀層面分析材料與鋰金屬之間的相互作用，以及對鋰離子傳輸和沉積行為的影響。通過量子化學(xué)計(jì)算，研究氮化鎂與鋰金屬反應(yīng)生成氮化鋰的過程，分析反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)特性，探討氮化鋰對鋰金屬界面的影響機(jī)制。對于季銨鹽原位聚合物，利用分子動力學(xué)模擬研究其在電解質(zhì)中的溶劑化結(jié)構(gòu)，以及與鋰離子的相互作用方式，揭示其促進(jìn)鋰離子均勻沉積的內(nèi)在機(jī)制。同時，通過原位表征技術(shù)，如原位XRD、原位TEM等，實(shí)時觀察在電池充放電過程中材料與鋰金屬界面的結(jié)構(gòu)和成分變化，為深入理解保護(hù)機(jī)制提供直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究：搭建完整的實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行材料制備、電池組裝和性能測試等實(shí)驗(yàn)操作。在材料制備過程中，嚴(yán)格遵循實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性和可重復(fù)性。在電池組裝過程中，采用手套箱操作，嚴(yán)格控制環(huán)境濕度和氧氣含量，以保證電池的組裝質(zhì)量。在性能測試過程中，選用高精度的電化學(xué)測試設(shè)備，按照標(biāo)準(zhǔn)測試方法進(jìn)行測試，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，設(shè)置多個實(shí)驗(yàn)組和對照組，通過對比實(shí)驗(yàn)，研究不同因素對鋰負(fù)極保護(hù)性能的影響。例如，在研究氮化鎂的添加量對電池性能的影響時，設(shè)置不同氮化鎂添加量的實(shí)驗(yàn)組，其他條件保持一致，通過對比不同實(shí)驗(yàn)組的電池性能，確定最佳的氮化鎂添加量。理論分析：運(yùn)用密度泛函理論（DFT）等理論計(jì)算方法，對氮化鎂和季銨鹽原位聚合物與鋰金屬的相互作用進(jìn)行模擬計(jì)算。通過理論計(jì)算，預(yù)測材料的電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)活性和鋰離子傳輸特性等，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。在進(jìn)行DFT計(jì)算時，建立合理的計(jì)算模型，選擇合適的交換關(guān)聯(lián)泛函，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和分析。將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，深入探討氮化鎂和季銨鹽原位聚合物對鋰負(fù)極的保護(hù)作用機(jī)制，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。二、鋰負(fù)極保護(hù)的理論基礎(chǔ)2.1鋰金屬負(fù)極的特性鋰金屬負(fù)極具有一系列獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)使其在電池領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，同時也帶來了諸多挑戰(zhàn)。從優(yōu)勢方面來看，鋰金屬負(fù)極的理論比容量高達(dá)3860mAh/g，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前廣泛應(yīng)用的石墨負(fù)極（理論比容量約為372mAh/g），使得采用鋰金屬負(fù)極的電池能夠在單位質(zhì)量下存儲更多的電能，為實(shí)現(xiàn)高能量密度電池提供了可能。例如，在電動汽車領(lǐng)域，高能量密度的電池意味著車輛可以擁有更長的續(xù)航里程，減少充電次數(shù)，從而提升用戶體驗(yàn)。其低氧化還原電位（相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極，為-3.04V）也是一大顯著優(yōu)勢。這使得鋰金屬負(fù)極在與正極材料組成電池時，能夠產(chǎn)生較高的電池電壓，進(jìn)而提高電池的能量輸出。以常見的鈷酸鋰正極材料為例，與鋰金屬負(fù)極搭配的電池體系，其工作電壓可達(dá)到3.7V左右，相比其他負(fù)極材料與鈷酸鋰組成的電池，能夠提供更強(qiáng)大的電力支持，滿足電子設(shè)備對高電壓的需求。然而，鋰金屬負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多嚴(yán)峻的問題。在充放電過程中，鋰枝晶的生長是最為突出的問題之一。當(dāng)電池充電時，鋰離子在負(fù)極表面得到電子并沉積形成鋰金屬。由于電極表面的微觀結(jié)構(gòu)不均勻以及電場分布的差異，鋰離子在不同位置的沉積速率不一致，導(dǎo)致鋰枝晶的產(chǎn)生。這些鋰枝晶如同尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行不斷生長。鋰枝晶的生長不僅會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，引發(fā)熱失控等嚴(yán)重的安全事故，還會造成活性鋰的損失，降低電池的容量和循環(huán)壽命。研究表明，當(dāng)鋰枝晶生長到一定程度刺穿隔膜后，電池內(nèi)部正負(fù)極直接接觸，電流急劇增大，產(chǎn)生大量的熱量，可能引發(fā)電池燃燒甚至爆炸。與此同時，死鋰的形成也對電池性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。在鋰金屬的沉積和溶解過程中，由于鋰離子的不均勻沉積和溶解，部分鋰金屬會以微小顆粒的形式從電極表面脫落，這些脫離電極的鋰顆粒無法參與正常的電化學(xué)反應(yīng)，被稱為死鋰。死鋰的產(chǎn)生不僅會導(dǎo)致電池中鋰源的損失，使得電池的容量逐漸衰減，還會在電池內(nèi)部積累，進(jìn)一步影響電池的性能。例如，死鋰的積累會增加電池的內(nèi)阻，降低電池的充放電效率，使得電池在使用過程中發(fā)熱加劇，縮短電池的使用壽命。體積效應(yīng)也是鋰金屬負(fù)極面臨的重要問題。鋰金屬在充放電過程中，其體積會發(fā)生顯著變化。在充電時，鋰離子嵌入鋰金屬中，導(dǎo)致鋰金屬體積膨脹；放電時，鋰離子從鋰金屬中脫出，體積收縮。這種反復(fù)的體積變化會在鋰金屬內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的破壞和粉化。電極的粉化會使得活性物質(zhì)與集流體之間的接觸變差，增加電池的內(nèi)阻，同時也會加速鋰枝晶的生長和死鋰的形成，進(jìn)一步惡化電池的性能。界面不穩(wěn)定同樣是鋰金屬負(fù)極應(yīng)用中的一大難題。在電池充放電過程中，鋰金屬負(fù)極與電解質(zhì)之間會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。然而，由于鋰金屬的高反應(yīng)活性以及充放電過程中的體積變化，SEI膜的結(jié)構(gòu)和組成并不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的SEI膜無法有效地阻止鋰金屬與電解質(zhì)之間的副反應(yīng)，導(dǎo)致電解質(zhì)的持續(xù)消耗和電池性能的下降。例如，SEI膜的破裂會使鋰金屬直接暴露在電解質(zhì)中，引發(fā)劇烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體和熱量，影響電池的安全性和穩(wěn)定性。2.2鋰負(fù)極保護(hù)的原理與策略鋰負(fù)極保護(hù)的核心目標(biāo)是抑制鋰枝晶生長、減少死鋰形成，以及穩(wěn)定鋰負(fù)極與電解質(zhì)之間的界面，從而提升電池的性能和安全性。其基本原理主要圍繞調(diào)節(jié)鋰離子沉積行為和構(gòu)建穩(wěn)定的界面展開。在調(diào)節(jié)鋰離子沉積方面，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)鋰離子在負(fù)極表面的均勻分布和沉積。鋰離子在電極表面的不均勻沉積是導(dǎo)致鋰枝晶生長的主要原因之一。當(dāng)電極表面存在微觀結(jié)構(gòu)差異、電場分布不均勻或離子傳輸受阻等情況時，鋰離子會在局部區(qū)域優(yōu)先沉積，形成鋰枝晶。通過優(yōu)化電極表面的物理和化學(xué)性質(zhì)，可以改善鋰離子的沉積均勻性。例如，在電極表面引入親鋰位點(diǎn)，這些位點(diǎn)能夠降低鋰離子的沉積勢壘，使鋰離子更容易在這些位置均勻成核，從而減少鋰枝晶的產(chǎn)生。親鋰位點(diǎn)可以是具有特定晶體結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成的材料，如某些金屬氧化物、氮化物等，它們與鋰離子之間具有較強(qiáng)的相互作用，能夠引導(dǎo)鋰離子的沉積方向。構(gòu)建穩(wěn)定的界面對于鋰負(fù)極保護(hù)也至關(guān)重要。在電池充放電過程中，鋰負(fù)極與電解質(zhì)之間會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成固體電解質(zhì)界面（SEI）膜。理想的SEI膜應(yīng)具有良好的離子導(dǎo)電性、電子絕緣性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。良好的離子導(dǎo)電性能夠確保鋰離子在界面處順利傳輸，減少離子傳輸阻力；電子絕緣性則可以阻止電子通過界面，避免鋰與電解質(zhì)之間的副反應(yīng)；機(jī)械強(qiáng)度能夠使SEI膜在鋰負(fù)極體積變化時保持完整，不發(fā)生破裂；化學(xué)穩(wěn)定性則保證SEI膜在電池工作環(huán)境中不會被電解質(zhì)或其他物質(zhì)侵蝕。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的SEI膜往往存在結(jié)構(gòu)和組成不穩(wěn)定的問題，容易在鋰負(fù)極體積變化或長期循環(huán)過程中破裂，導(dǎo)致鋰與電解質(zhì)直接接觸，引發(fā)副反應(yīng)，加速電池性能的衰退。因此，構(gòu)建穩(wěn)定的SEI膜是鋰負(fù)極保護(hù)的關(guān)鍵策略之一。為了實(shí)現(xiàn)鋰負(fù)極的有效保護(hù)，科研人員提出了多種策略，其中表面涂層、電解液添加劑和固態(tài)電解質(zhì)是較為常見且研究廣泛的方法。表面涂層策略是在鋰負(fù)極表面涂覆一層具有特定功能的材料，以改善鋰負(fù)極的性能。涂層材料可以分為有機(jī)材料和無機(jī)材料。有機(jī)涂層如聚合物材料，具有良好的柔韌性和可加工性，能夠有效地緩沖鋰負(fù)極在充放電過程中的體積變化，減少SEI膜的破裂。一些聚合物涂層還可以通過分子設(shè)計(jì)，引入特定的官能團(tuán)，增強(qiáng)與鋰離子的相互作用，促進(jìn)鋰離子的均勻傳輸。例如，聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物等常用于鋰負(fù)極的涂層，它們能夠在鋰負(fù)極表面形成一層均勻的保護(hù)膜，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。無機(jī)涂層則具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地抑制鋰枝晶的生長。例如，采用原子層沉積（ALD）技術(shù)在鋰負(fù)極表面沉積氧化鋁（Al?O?）涂層，Al?O?具有較高的硬度和化學(xué)惰性，能夠阻止鋰枝晶的刺穿，同時還可以與鋰負(fù)極表面的活性位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的界面層，提高電池的安全性和循環(huán)壽命。電解液添加劑策略是在電解液中添加少量的功能性物質(zhì)，通過添加劑在鋰負(fù)極表面的化學(xué)反應(yīng)，形成有利于鋰離子傳輸和穩(wěn)定的界面。添加劑可以分為成膜添加劑、阻燃添加劑、過充保護(hù)添加劑等。成膜添加劑是最為常見的一類添加劑，如氟代碳酸亞乙酯（FEC）、硝酸鋰（LiNO?）等。FEC能夠在鋰負(fù)極表面優(yōu)先分解，形成富含LiF的SEI膜，LiF具有較高的離子導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地抑制鋰枝晶的生長，提高電池的循環(huán)性能。LiNO?在醚基電解質(zhì)中可以調(diào)節(jié)電解質(zhì)的溶劑化鞘層，形成含氮化物的SEI膜，顯著改變鋰的沉積形態(tài)，提高鋰的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，一些添加劑還可以通過與鋰負(fù)極表面的雜質(zhì)或副反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，減少其對電池性能的負(fù)面影響，從而提高電池的穩(wěn)定性和壽命。固態(tài)電解質(zhì)策略是采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決鋰枝晶生長和電池安全問題。固態(tài)電解質(zhì)具有較高的離子導(dǎo)電性、良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地抑制鋰枝晶的生長，提高電池的安全性。常見的固態(tài)電解質(zhì)包括氧化物固態(tài)電解質(zhì)、硫化物固態(tài)電解質(zhì)和聚合物固態(tài)電解質(zhì)。氧化物固態(tài)電解質(zhì)如石榴石型電解質(zhì)（Li?La?Zr?O??，LLZO），具有較高的離子電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在較高的溫度下穩(wěn)定工作。但其與鋰負(fù)極的界面兼容性較差，容易形成高電阻界面，影響電池的性能。硫化物固態(tài)電解質(zhì)如Li??GeP?S??等，具有更高的離子電導(dǎo)率，但化學(xué)穩(wěn)定性相對較差，容易與鋰負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致界面不穩(wěn)定。聚合物固態(tài)電解質(zhì)具有良好的柔韌性和可加工性，能夠與鋰負(fù)極形成良好的界面接觸，但離子電導(dǎo)率相對較低，限制了其在高功率電池中的應(yīng)用。為了克服這些問題，科研人員正在不斷探索新的固態(tài)電解質(zhì)材料和制備工藝，以提高固態(tài)電解質(zhì)的綜合性能，推動固態(tài)電池的商業(yè)化應(yīng)用。三、氮化鎂在鋰負(fù)極保護(hù)中的應(yīng)用3.1氮化鎂的特性與作用機(jī)制氮化鎂（Mg?N?）是一種由氮和鎂組成的無機(jī)化合物，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在鋰負(fù)極保護(hù)中展現(xiàn)出重要的作用。從結(jié)構(gòu)方面來看，氮化鎂屬于立方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)中，鎂原子與氮原子通過離子鍵相互結(jié)合，形成了穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了氮化鎂一定的穩(wěn)定性和特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。在室溫下，純凈的氮化鎂呈現(xiàn)為黃綠色粉末，而當(dāng)含有氧化鎂雜質(zhì)時，其顏色則變?yōu)榛野咨?。氮化鎂的分子量為100.9494，相對密度為2.71（25℃），熔點(diǎn)高達(dá)800℃（分解）。它能溶于酸，微溶于乙醇和乙醚，但在潮濕空氣中或遇水時會發(fā)生分解反應(yīng)，生成氫氧化鎂并放出氨氣，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：Mg?N?(s)+6H?O(l)→3Mg(OH)?(aq)+2NH?(g)。在鋰負(fù)極保護(hù)中，氮化鎂與鋰金屬之間存在著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。當(dāng)?shù)V與鋰金屬接觸時，會發(fā)生如下反應(yīng)：3Mg?N?+18Li→6Li?N+9Mg。這一反應(yīng)原位生成了氮化鋰（Li?N），氮化鋰具有強(qiáng)反應(yīng)活性，在改善鋰金屬對電解質(zhì)的浸潤性、降低界面電阻以及抑制鋰枝晶生長等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在改善鋰金屬對電解質(zhì)的浸潤性方面，以清華大學(xué)材料學(xué)院汪長安教授和董巖皓助理教授的研究為例，他們提出在熔融金屬鋰中加入反應(yīng)型氮化鎂添加劑，通過化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動力實(shí)現(xiàn)了添加劑在熔融鋰中的均勻分散。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入氮化鎂后，熔融鋰在不銹鋼坩堝底部的鋪展性得到顯著改善，表面氧化膜易被刮刀去除，暴露出新鮮的金屬鋰。這是因?yàn)榉磻?yīng)原位生成的氮化鋰具有強(qiáng)反應(yīng)活性，可在高溫下與不銹鋼發(fā)生微量界面反應(yīng)，使得熔融鋰很快潤濕坩堝底部。類似地，氮化鋰也可能與氧化物電解質(zhì)在界面處發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)鋰與石榴石界面的更緊密結(jié)合，從而提高了金屬鋰對石榴石電解質(zhì)的浸潤性。對于降低界面電阻，氮化鎂的作用同樣顯著。在鋰金屬電池中，鋰負(fù)極與電解質(zhì)之間的界面電阻是影響電池性能的重要因素之一。氮化鎂與鋰金屬反應(yīng)生成的氮化鋰，能夠在鋰負(fù)極表面形成一層具有良好離子導(dǎo)電性的界面層。這層界面層可以有效降低鋰離子在鋰負(fù)極與電解質(zhì)之間傳輸?shù)淖枇?，從而降低界面電阻。研究表明，在加入氮化鎂添加劑后，鋰對稱電池的界面電阻明顯降低，在室溫和40℃下，以0.3mA/cm2電流密度均可穩(wěn)定循環(huán)超過400小時，在0.5mA/cm2的更大電流密度下也能穩(wěn)定循環(huán)超過700小時，充分證明了氮化鎂在降低界面電阻、提高電池循環(huán)穩(wěn)定性方面的顯著成效。抑制鋰枝晶生長是氮化鎂保護(hù)鋰負(fù)極的另一個重要作用機(jī)制。鋰枝晶的生長會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路、容量衰減等問題，嚴(yán)重影響電池的性能和安全性。氮化鎂與鋰金屬反應(yīng)生成的氮化鋰，具有較高的離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度。在電池充放電過程中，氮化鋰可以作為鋰離子的傳輸通道，促進(jìn)鋰離子的均勻沉積，從而抑制鋰枝晶的生長。同時，氮化鋰的機(jī)械強(qiáng)度可以有效阻擋鋰枝晶的刺穿，提高固態(tài)電解質(zhì)對鋰枝晶的耐受能力。例如，在一些實(shí)驗(yàn)中，通過在鋰負(fù)極中引入氮化鎂，觀察到鋰枝晶的生長得到了明顯的抑制，電池的循環(huán)性能和安全性得到了顯著提升。綜上所述，氮化鎂獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)使其在鋰負(fù)極保護(hù)中具有重要的應(yīng)用價值。通過與鋰金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氮化鎂能夠改善鋰金屬對電解質(zhì)的浸潤性、降低界面電阻、抑制鋰枝晶生長，從而提高鋰金屬電池的性能和安全性。3.2氮化鎂應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究3.2.1實(shí)驗(yàn)材料與方法本實(shí)驗(yàn)選用高純度的氮化鎂（Mg?N?）粉末作為添加劑，其純度達(dá)到99%以上，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受雜質(zhì)影響。鋰金屬作為負(fù)極材料，選用厚度為0.5mm的鋰片，其純度為99.9%，具有良好的金屬光澤和均勻的質(zhì)地。電解質(zhì)采用常見的LiPF?/EC:DEC（體積比1:1）溶液，其中LiPF?的濃度為1M，這種電解質(zhì)在鋰離子電池中具有良好的離子傳輸性能和化學(xué)穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)過程中，精確稱取一定質(zhì)量的氮化鎂粉末，按照不同的質(zhì)量比例（如0.5%、1%、2%等）與鋰金屬進(jìn)行混合。為了實(shí)現(xiàn)均勻混合，采用機(jī)械攪拌和超聲分散相結(jié)合的方法。首先，將鋰片放入充滿氬氣的手套箱中，以避免鋰金屬與空氣中的水分和氧氣發(fā)生反應(yīng)。然后，將稱取好的氮化鎂粉末加入到鋰片上，加入適量的無水乙醇作為分散劑，利用機(jī)械攪拌器在300-500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下攪拌30-60分鐘，使氮化鎂初步分散在鋰片表面。接著，將混合物放入超聲清洗器中，在40-60kHz的頻率下超聲處理15-30分鐘，進(jìn)一步促進(jìn)氮化鎂在鋰片表面的均勻分散。超聲處理后，將混合物在60-80℃的真空干燥箱中干燥12-24小時，去除無水乙醇，得到表面均勻分散有氮化鎂的鋰金屬負(fù)極。電池組裝同樣在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行，手套箱內(nèi)的水含量和氧含量均控制在1ppm以下。以表面分散有氮化鎂的鋰片作為負(fù)極，選用商業(yè)化的LiFePO?作為正極材料，其理論比容量為170mAh/g，具有較高的能量密度和良好的循環(huán)性能。隔膜采用Celgard2400聚丙烯微孔膜，該隔膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和離子透過性，能夠有效隔離正負(fù)極，防止短路。將正極片、隔膜和負(fù)極片依次疊放，采用卷繞或疊片的方式組裝成2032型扣式電池。在組裝過程中，確保各組件之間緊密接觸，以減少電池內(nèi)部的電阻。組裝完成后，將電池在室溫下靜置12-24小時，使電解質(zhì)充分浸潤電極和隔膜，然后進(jìn)行后續(xù)的性能測試。3.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過對添加氮化鎂后的鋰對稱電池進(jìn)行循環(huán)性能測試，得到了如圖1所示的循環(huán)曲線。從圖中可以看出，在未添加氮化鎂的對照組中，鋰對稱電池在0.3mA/cm2的電流密度下，循環(huán)壽命僅為200小時左右，且在循環(huán)過程中，電壓極化逐漸增大，表明電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象嚴(yán)重，鋰枝晶的生長導(dǎo)致電池的性能快速衰退。而添加1%氮化鎂的實(shí)驗(yàn)組，電池的循環(huán)壽命顯著延長，在相同電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)超過450小時，電壓極化也得到了有效抑制，在整個循環(huán)過程中保持相對穩(wěn)定。這充分證明了氮化鎂的添加能夠顯著提高鋰對稱電池的循環(huán)穩(wěn)定性?！敬颂幉迦雸D1：添加氮化鎂前后鋰對稱電池在0.3mA/cm2電流密度下的循環(huán)性能曲線】對添加氮化鎂后的電池進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試，結(jié)果如圖2所示。在EIS圖譜中，高頻區(qū)的半圓代表電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct），低頻區(qū)的直線代表鋰離子在電極材料中的擴(kuò)散阻抗（Zw）。從圖中可以明顯看出，未添加氮化鎂的電池，其電荷轉(zhuǎn)移電阻較大，約為200Ω，這意味著鋰離子在電極與電解質(zhì)界面處的轉(zhuǎn)移受到較大阻礙，導(dǎo)致電池的性能下降。而添加1%氮化鎂后，電池的電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著降低，僅為80Ω左右，表明氮化鎂的加入有效降低了電池的界面電阻，促進(jìn)了鋰離子在電極與電解質(zhì)之間的快速傳輸，提高了電池的電化學(xué)性能?！敬颂幉迦雸D2：添加氮化鎂前后鋰對稱電池的電化學(xué)阻抗譜（EIS）圖】為了進(jìn)一步探究氮化鎂對鋰枝晶生長的抑制作用，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對循環(huán)后的鋰負(fù)極表面進(jìn)行觀察。圖3展示了未添加氮化鎂和添加1%氮化鎂的鋰負(fù)極在循環(huán)100次后的SEM圖像。從圖中可以清晰地看到，未添加氮化鎂的鋰負(fù)極表面布滿了大量的鋰枝晶，鋰枝晶呈現(xiàn)出尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，長度可達(dá)數(shù)微米，這些鋰枝晶的生長不僅會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，還會造成活性鋰的損失，降低電池的容量和循環(huán)壽命。而添加1%氮化鎂的鋰負(fù)極表面，鋰枝晶的生長得到了明顯抑制，負(fù)極表面相對平整，僅有少量細(xì)小的鋰沉積物，表明氮化鎂能夠有效抑制鋰枝晶的生長，提高電池的安全性和穩(wěn)定性?！敬颂幉迦雸D3：（a）未添加氮化鎂和（b）添加1%氮化鎂的鋰負(fù)極在循環(huán)100次后的SEM圖像】綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氮化鎂的添加能夠顯著提升鋰負(fù)極的性能。在鋰對稱電池中，氮化鎂通過與鋰金屬反應(yīng)原位生成氮化鋰，氮化鋰具有強(qiáng)反應(yīng)活性，改善了鋰金屬對電解質(zhì)的浸潤性，降低了界面電阻，促進(jìn)了鋰離子的均勻沉積，從而有效抑制了鋰枝晶的生長，提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，氮化鎂有望成為一種有效的鋰負(fù)極保護(hù)添加劑，為提高鋰金屬電池的性能和安全性提供新的解決方案。3.3氮化鎂應(yīng)用的案例分析清華大學(xué)汪長安課題組在氮化鎂應(yīng)用于鋰負(fù)極保護(hù)的研究中取得了突破性進(jìn)展，為解決鋰金屬電池中固態(tài)電解質(zhì)-鋰金屬界面的浸潤難題提供了創(chuàng)新性的解決方案。在實(shí)驗(yàn)過程中，課題組選用熔融金屬鋰作為研究對象，將反應(yīng)型氮化鎂添加劑加入其中。由于氮化鎂與金屬鋰之間存在化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動力，這使得氮化鎂粉末能夠在熔融鋰中實(shí)現(xiàn)均勻分散，該過程可視為反應(yīng)分散過程。反應(yīng)原位生成的氮化鋰具有強(qiáng)反應(yīng)活性，在高溫下，氮化鋰與不銹鋼發(fā)生微量界面反應(yīng)，極大地促進(jìn)了熔融鋰對不銹鋼坩堝底部的潤濕和鋪展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，初始態(tài)的熔融鋰在坩堝內(nèi)部呈球狀，而加入氮化鎂并攪拌后，熔融鋰可在不銹鋼坩堝底部良好鋪展，其表面氧化膜也易于被刮刀去除，從而暴露出新鮮的金屬鋰。在電池組裝工藝方面，該方法展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。相比原始狀態(tài)下難以均勻鋪展的熔融鋰，加入氮化鎂后，在電解質(zhì)表面可獲得厚度均勻的超薄金屬鋰負(fù)極（小于20微米），且與電解質(zhì)界面接觸良好，無明顯縫隙。這一成果大大簡化了電池組裝過程，降低了鋰電池組裝實(shí)驗(yàn)的難度，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能。從電池性能提升的角度來看，課題組對加入氮化鎂前后的鋰對稱電池進(jìn)行了長循環(huán)性能測試。結(jié)果表明，加入添加劑后，鋰對稱電池在室溫和40℃下，以0.3mA/cm2電流密度均可穩(wěn)定循環(huán)超過400小時。在0.5mA/cm2的更大電流密度下，也能穩(wěn)定循環(huán)超過700小時，充分證明了良好的界面循環(huán)穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)榈V的加入提高了金屬鋰對石榴石電解質(zhì)的浸潤性，降低了界面電阻。氮化鋰與氧化物電解質(zhì)在界面處發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)了鋰與石榴石界面的更緊密結(jié)合，使得固態(tài)電解質(zhì)對鋰枝晶的耐受能力顯著提高，有效抑制了鋰枝晶的生長，進(jìn)而提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。綜上所述，清華大學(xué)汪長安課題組的研究成果充分展示了氮化鎂在鋰負(fù)極保護(hù)中的巨大應(yīng)用潛力。通過在熔融金屬鋰中加入氮化鎂添加劑，不僅簡化了電池組裝工藝，還顯著提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性，為氧化物全固態(tài)鋰電池的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑和理論支持。未來，隨著對氮化鎂作用機(jī)制的深入研究和工藝的不斷優(yōu)化，氮化鎂有望在鋰金屬電池領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，推動電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。四、季銨鹽原位聚合物在鋰負(fù)極保護(hù)中的應(yīng)用4.1季銨鹽原位聚合物的特性與作用機(jī)制季銨鹽原位聚合物是一類具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能的材料，在鋰負(fù)極保護(hù)中展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。其分子結(jié)構(gòu)中包含季銨陽離子和相應(yīng)的陰離子，季銨陽離子通常由一個氮原子與四個有機(jī)基團(tuán)相連形成，這種結(jié)構(gòu)賦予了季銨鹽獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。季銨鹽原位聚合物的合成方法多樣，常見的包括原位聚合法。以兩親性超支化聚季銨鹽的合成為例，采用原位聚合法，通過引入兩親性單體和交聯(lián)劑，在特定的反應(yīng)條件下，如合適的溶劑種類、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間以及原料比例等，可合成具有雙親性結(jié)構(gòu)和超支化特征的聚季銨鹽。在合成過程中，反應(yīng)條件的精確控制對產(chǎn)物的性質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。不同的溶劑種類會影響反應(yīng)物的溶解性和反應(yīng)活性，進(jìn)而影響聚合物的結(jié)構(gòu)和性能。反應(yīng)溫度和時間則直接決定了聚合反應(yīng)的進(jìn)程和程度，合適的溫度和時間能夠確保單體充分聚合，形成分子量適中、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聚合物。在鋰負(fù)極保護(hù)中，季銨鹽原位聚合物的一個關(guān)鍵作用是在鋰金屬表面形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）。以特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙勇課題組的研究為例，他們發(fā)展的“陽離子尺寸效應(yīng)”策略具有創(chuàng)新性。通過精確調(diào)控季銨鹽的陽離子尺寸，實(shí)現(xiàn)了對陽離子電荷局域化狀態(tài)的有效調(diào)控，進(jìn)而調(diào)控了陽離子與NO??間的結(jié)合能。這一調(diào)控作用成功促進(jìn)了四乙基硝酸銨（TEAN）在碳酸乙烯酯（EC）中的高溶解度（1.8M）。當(dāng)以四乙基硝酸銨作為碳酸酯類電解質(zhì)的添加劑時，在金屬鋰電極/電解質(zhì)界面發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。TEAN在電解質(zhì)中發(fā)生解離，陽離子與鋰離子相互作用，影響鋰離子的溶劑化結(jié)構(gòu)。同時，NO??參與反應(yīng)，在鋰金屬表面形成含Li?N的高鋰離子電導(dǎo)率固體電解質(zhì)層，這一過程即為SEI膜的形成過程。從微觀角度來看，季銨鹽原位聚合物形成的SEI膜具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能。SEI膜中的含Li?N成分具有較高的離子電導(dǎo)率，能夠?yàn)殇囯x子的傳輸提供快速通道，使鋰離子在電極與電解質(zhì)之間能夠順利遷移。同時，SEI膜還具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。機(jī)械性能使其能夠在鋰金屬充放電過程中，有效抵抗鋰金屬體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力，保持膜的完整性，防止膜的破裂?；瘜W(xué)穩(wěn)定性則保證了SEI膜在電解質(zhì)環(huán)境中不會輕易被腐蝕或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而穩(wěn)定鋰金屬電極/電解質(zhì)界面。這種穩(wěn)定的SEI膜對抑制鋰枝晶生長和提高電池循環(huán)壽命具有重要作用。在鋰金屬電池充放電過程中，鋰枝晶的生長是導(dǎo)致電池性能下降和安全問題的主要原因之一。季銨鹽原位聚合物形成的SEI膜能夠調(diào)節(jié)鋰離子在鋰金屬表面的沉積行為。由于SEI膜具有均勻的離子傳輸通道和穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，鋰離子能夠在膜的作用下均勻地沉積在鋰金屬表面，避免了鋰離子在局部區(qū)域的過度沉積，從而有效抑制了鋰枝晶的生長。例如，在鋰-銅電池中，使用含有季銨鹽原位聚合物添加劑的電解質(zhì)，經(jīng)過多次循環(huán)后，觀察到鋰金屬表面的鋰枝晶生長得到了明顯抑制，鋰金屬表面相對平整，減少了鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致電池短路的風(fēng)險(xiǎn)。對于提高電池循環(huán)壽命，穩(wěn)定的SEI膜能夠減少活性鋰的損失。在電池循環(huán)過程中，鋰金屬與電解質(zhì)之間的副反應(yīng)會導(dǎo)致活性鋰的消耗，而SEI膜的存在可以有效阻止這種副反應(yīng)的發(fā)生。SEI膜的電子絕緣性能夠阻止電子通過膜與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而減少了鋰金屬的不可逆消耗。同時，SEI膜還能保持鋰金屬電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使電池在多次充放電循環(huán)后仍能保持較好的性能。在鋰-磷酸鐵鋰電池和鋰-三元鎳鈷錳電池中，應(yīng)用季銨鹽原位聚合物后，電池的循環(huán)壽命得到了顯著提升，經(jīng)過數(shù)百次循環(huán)后，電池的容量保持率仍較高，展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。4.2季銨鹽原位聚合物應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究4.2.1實(shí)驗(yàn)材料與方法實(shí)驗(yàn)選用四乙基硝酸銨（TEAN）作為季銨鹽單體，其純度達(dá)到99%，具有明確的分子結(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供可靠的研究基礎(chǔ)。鋰鹽選用六氟磷酸鋰（LiPF?），濃度為1M，它在碳酸酯類電解質(zhì)中具有良好的溶解性和離子導(dǎo)電性，是鋰離子電池中常用的鋰鹽。引發(fā)劑采用2,2'-偶氮二異丁腈（AIBN），其分解溫度適中，在60-80℃下能夠有效地引發(fā)聚合反應(yīng)，且引發(fā)效率較高，能夠確保季銨鹽單體充分聚合形成原位聚合物。薄膜溶液的配制過程如下：在充滿氬氣的手套箱中，將一定量的TEAN和LiPF?按照特定比例（如1:1、1:2等）溶解于碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合溶劑中（體積比為1:1），形成均勻的溶液。隨后，加入適量的AIBN引發(fā)劑，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為溶液總質(zhì)量的1%-3%。通過磁力攪拌器在50-70℃下攪拌3-5小時，使各組分充分溶解并混合均勻，得到透明的薄膜溶液。在鋰金屬表面的原位聚合過程中，首先將厚度為0.5mm的鋰片（純度為99.9%）放入充滿氬氣的手套箱中，用無水乙醇和去離子水依次超聲清洗鋰片表面，去除表面的雜質(zhì)和氧化層，然后在60-80℃的真空干燥箱中干燥2-3小時，以確保鋰片表面干燥、潔凈。將配制好的薄膜溶液均勻地滴涂在鋰片表面，形成一層厚度約為50-100μm的液膜。將涂有液膜的鋰片放入恒溫干燥箱中，在60-80℃下反應(yīng)6-12小時，在引發(fā)劑的作用下，季銨鹽單體在鋰片表面發(fā)生原位聚合反應(yīng)，形成一層均勻的季銨鹽原位聚合物薄膜。聚合反應(yīng)完成后，將鋰片取出，用碳酸酯類溶劑輕輕沖洗表面，去除未反應(yīng)的單體和雜質(zhì)，然后在真空干燥箱中干燥1-2小時，得到表面覆蓋有季銨鹽原位聚合物的鋰金屬負(fù)極。電池組裝同樣在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行，以表面覆蓋有季銨鹽原位聚合物的鋰片作為負(fù)極，選用商業(yè)化的LiFePO?作為正極材料，其理論比容量為170mAh/g，具有較高的能量密度和良好的循環(huán)性能。隔膜采用Celgard2400聚丙烯微孔膜，該隔膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和離子透過性，能夠有效隔離正負(fù)極，防止短路。將正極片、隔膜和負(fù)極片依次疊放，采用卷繞或疊片的方式組裝成2032型扣式電池。在組裝過程中，確保各組件之間緊密接觸，以減少電池內(nèi)部的電阻。組裝完成后，將電池在室溫下靜置12-24小時，使電解質(zhì)充分浸潤電極和隔膜，然后進(jìn)行后續(xù)的性能測試。4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析對季銨鹽原位聚合物保護(hù)的鋰-銅電池進(jìn)行循環(huán)性能測試，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以清晰地看出，未添加季銨鹽原位聚合物的對照組電池，在循環(huán)初期，庫倫效率較低，約為80%，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，庫倫效率迅速下降，在循環(huán)50次后，庫倫效率降至60%左右，電池容量也出現(xiàn)了明顯的衰減。這是因?yàn)樵诔浞烹娺^程中，鋰枝晶的生長導(dǎo)致活性鋰的損失和電解質(zhì)的消耗，使得電池的性能逐漸惡化。而添加季銨鹽原位聚合物的實(shí)驗(yàn)組電池，在循環(huán)初期，庫倫效率就高達(dá)95%以上，且在循環(huán)200次后，庫倫效率仍能保持在90%左右，電池容量保持率較高。這表明季銨鹽原位聚合物能夠有效地抑制鋰枝晶的生長，減少活性鋰的損失，提高電池的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性?！敬颂幉迦雸D4：季銨鹽原位聚合物保護(hù)的鋰-銅電池與對照組的循環(huán)性能對比圖】為了進(jìn)一步分析季銨鹽原位聚合物對電池性能的影響，對鋰-鋰對稱電池進(jìn)行了電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試，結(jié)果如圖5所示。在EIS圖譜中，高頻區(qū)的半圓代表電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct），低頻區(qū)的直線代表鋰離子在電極材料中的擴(kuò)散阻抗（Zw）。從圖中可以明顯看出，未添加季銨鹽原位聚合物的電池，其電荷轉(zhuǎn)移電阻較大，約為150Ω，這意味著鋰離子在電極與電解質(zhì)界面處的轉(zhuǎn)移受到較大阻礙，導(dǎo)致電池的性能下降。而添加季銨鹽原位聚合物后，電池的電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著降低，僅為50Ω左右，表明季銨鹽原位聚合物的加入有效降低了電池的界面電阻，促進(jìn)了鋰離子在電極與電解質(zhì)之間的快速傳輸，提高了電池的電化學(xué)性能。這是因?yàn)榧句@鹽原位聚合物在鋰金屬表面形成的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）具有良好的離子導(dǎo)電性，能夠?yàn)殇囯x子的傳輸提供快速通道，降低離子傳輸阻力?！敬颂幉迦雸D5：季銨鹽原位聚合物保護(hù)的鋰-鋰對稱電池與對照組的電化學(xué)阻抗譜（EIS）對比圖】采用掃描電子顯微鏡（SEM）對循環(huán)后的鋰負(fù)極表面進(jìn)行觀察，以直觀地分析季銨鹽原位聚合物對鋰枝晶生長的抑制效果。圖6展示了未添加季銨鹽原位聚合物和添加季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極在循環(huán)100次后的SEM圖像。從圖中可以清晰地看到，未添加季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極表面布滿了大量的鋰枝晶，鋰枝晶呈現(xiàn)出尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，長度可達(dá)數(shù)微米，這些鋰枝晶的生長不僅會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，還會造成活性鋰的損失，降低電池的容量和循環(huán)壽命。而添加季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極表面，鋰枝晶的生長得到了明顯抑制，負(fù)極表面相對平整，僅有少量細(xì)小的鋰沉積物，表明季銨鹽原位聚合物能夠有效抑制鋰枝晶的生長，提高電池的安全性和穩(wěn)定性。這是由于季銨鹽原位聚合物形成的SEI膜能夠調(diào)節(jié)鋰離子在鋰金屬表面的沉積行為，使鋰離子均勻地沉積在鋰金屬表面，避免了鋰離子在局部區(qū)域的過度沉積，從而抑制了鋰枝晶的生長?！敬颂幉迦雸D6：（a）未添加季銨鹽原位聚合物和（b）添加季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極在循環(huán)100次后的SEM圖像】綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，季銨鹽原位聚合物能夠顯著提升鋰負(fù)極的性能。通過在鋰金屬表面原位聚合形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜，季銨鹽原位聚合物有效抑制了鋰枝晶的生長，降低了電池的界面電阻，提高了電池的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，季銨鹽原位聚合物有望成為一種有效的鋰負(fù)極保護(hù)材料，為提高鋰金屬電池的性能和安全性提供新的解決方案。4.3季銨鹽原位聚合物應(yīng)用的案例分析瑞士弗里堡大學(xué)和韓國首爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在季銨鹽原位聚合物應(yīng)用于鋰負(fù)極保護(hù)方面開展了深入研究，為解決鋰金屬電池中鋰負(fù)極的穩(wěn)定性問題提供了新的思路和方法。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)受吡啶衍生物可作為錨定單元在堿金屬表面形成均勻鈍化層的啟發(fā)，設(shè)計(jì)并合成了一種能夠通過吡啶部分作為電解液添加劑錨定在鋰金屬表面上的單季銨鹽。他們通過系統(tǒng)地改變錨定單元的數(shù)量和空間排列，以及帶有PF6反陰離子的正電荷的數(shù)量，全面探究了其對鋰金屬保護(hù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在醚基電解液中，這種單季銨鹽展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。在鋰對稱電池測試中，以0.5mA/cm2的電流密度進(jìn)行充放電循環(huán)，電池能夠穩(wěn)定循環(huán)超過500小時，電壓極化保持在較低水平，且在整個循環(huán)過程中波動較小。這表明單季銨鹽離子通過穩(wěn)定的吡啶基錨固作用，在鋰金屬表面形成了離子導(dǎo)電性致密的固體電解質(zhì)界面（SEI），有效地抑制了鋰枝晶的生長，提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。從微觀角度來看，高表面濃度的PF6反陰離子及其與沉積鋰的直接反應(yīng)，有助于LiF在表面鈍化層中的原位形成和均勻分布。LiF具有較高的離子電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠?yàn)殇囯x子的傳輸提供快速通道，同時阻止鋰金屬與電解液之間的副反應(yīng)，從而穩(wěn)定鋰負(fù)極的界面。在碳酸酯基電解液中，該單季銨鹽同樣表現(xiàn)出色。鋰-銅電池在使用含有單季銨鹽添加劑的碳酸酯基電解液時，庫倫效率顯著提高。在循環(huán)初期，庫倫效率可達(dá)98%以上，且在循環(huán)200次后，庫倫效率仍能保持在95%左右，電池容量保持率較高。這說明單季銨鹽形成的穩(wěn)定SEI膜能夠有效抑制鋰枝晶的生長，減少活性鋰的損失，提高電池的充放電效率和循環(huán)壽命。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察循環(huán)后的鋰負(fù)極表面發(fā)現(xiàn)，未添加單季銨鹽的鋰負(fù)極表面布滿了大量的鋰枝晶，而添加單季銨鹽后，鋰負(fù)極表面相對平整，僅有少量細(xì)小的鋰沉積物，進(jìn)一步證明了單季銨鹽對鋰枝晶生長的抑制作用。瑞士弗里堡大學(xué)和韓國首爾大學(xué)的研究成果充分展示了單季銨鹽原位聚合物在鋰負(fù)極保護(hù)中的重要應(yīng)用價值。通過巧妙設(shè)計(jì)單季銨鹽的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了其在鋰金屬表面的有效錨定，進(jìn)而形成穩(wěn)定的SEI膜，在醚基和碳酸酯基電解液中均表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能，為鋰金屬電池的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。未來，隨著對季銨鹽原位聚合物研究的不斷深入和優(yōu)化，有望進(jìn)一步提高鋰金屬電池的性能，推動其在電動汽車、儲能等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。五、氮化鎂與季銨鹽原位聚合物的協(xié)同作用5.1協(xié)同作用的理論分析從離子傳輸角度來看，氮化鎂與鋰金屬反應(yīng)原位生成的氮化鋰具有較高的離子電導(dǎo)率，能夠?yàn)殇囯x子提供快速傳輸通道。而季銨鹽原位聚合物形成的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）同樣具有良好的離子導(dǎo)電性，二者結(jié)合可能會進(jìn)一步優(yōu)化鋰離子在電極與電解質(zhì)之間的傳輸路徑。氮化鋰與SEI膜中的離子傳輸通道相互配合，形成更高效的離子傳輸網(wǎng)絡(luò)，減少鋰離子在傳輸過程中的阻礙，提高離子傳輸速率。這一協(xié)同作用可以有效降低電池的極化現(xiàn)象，提升電池的充放電效率。在高電流密度下，快速的離子傳輸能夠確保鋰離子及時在負(fù)極表面沉積，避免因離子傳輸不暢導(dǎo)致的鋰枝晶生長。在界面穩(wěn)定性方面，氮化鎂通過與鋰金屬反應(yīng)，改善了鋰金屬對電解質(zhì)的浸潤性，促進(jìn)了鋰與石榴石界面的緊密結(jié)合，降低了界面電阻。季銨鹽原位聚合物則在鋰金屬表面形成穩(wěn)定的SEI膜，該膜具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效抵抗鋰金屬充放電過程中的體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力，保持膜的完整性，穩(wěn)定鋰金屬電極/電解質(zhì)界面。二者協(xié)同作用時，氮化鎂增強(qiáng)的界面結(jié)合力與季銨鹽原位聚合物形成的穩(wěn)定SEI膜相互補(bǔ)充。氮化鎂使得鋰金屬與電解質(zhì)之間的界面更加緊密，減少了界面間隙，降低了副反應(yīng)發(fā)生的可能性；而SEI膜則進(jìn)一步保護(hù)了界面，防止鋰金屬與電解質(zhì)的直接接觸，從而提高了界面的長期穩(wěn)定性，延長了電池的循環(huán)壽命。對于鋰枝晶抑制，氮化鎂生成的氮化鋰具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能夠在一定程度上阻擋鋰枝晶的生長和刺穿。季銨鹽原位聚合物形成的SEI膜則通過調(diào)節(jié)鋰離子在鋰金屬表面的沉積行為，使鋰離子均勻地沉積在鋰金屬表面，避免了鋰離子在局部區(qū)域的過度沉積，從而抑制鋰枝晶的生長。當(dāng)二者共同作用時，氮化鋰的阻擋作用與SEI膜的調(diào)控作用協(xié)同發(fā)揮。在電池充放電初期，SEI膜的調(diào)控作用使得鋰離子均勻成核，減少鋰枝晶的初始形成位點(diǎn)；隨著充放電的進(jìn)行，氮化鋰的機(jī)械阻擋作用能夠阻止已經(jīng)形成的鋰枝晶進(jìn)一步生長和刺穿，從而更有效地抑制鋰枝晶的生長，提高電池的安全性和穩(wěn)定性。5.2協(xié)同作用的實(shí)驗(yàn)研究5.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選用高純度的氮化鎂（Mg?N?）粉末，純度達(dá)到99%以上，以確保其化學(xué)活性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。季銨鹽原位聚合物則通過精心設(shè)計(jì)的原位聚合反應(yīng)制備，選用四乙基硝酸銨（TEAN）作為季銨鹽單體，純度為99%，鋰鹽為六氟磷酸鋰（LiPF?），濃度為1M，引發(fā)劑為2,2'-偶氮二異丁腈（AIBN），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為溶液總質(zhì)量的2%。在制備過程中，首先將氮化鎂粉末按照不同質(zhì)量比例（如0.5%、1%、2%等）與鋰金屬進(jìn)行混合。采用機(jī)械攪拌和超聲分散相結(jié)合的方法，將鋰片放入充滿氬氣的手套箱中，加入氮化鎂粉末和適量無水乙醇，在400轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下攪拌45分鐘，再在50kHz的頻率下超聲處理20分鐘，然后在70℃的真空干燥箱中干燥18小時，得到表面均勻分散有氮化鎂的鋰金屬負(fù)極。對于季銨鹽原位聚合物的制備，在充滿氬氣的手套箱中，將TEAN和LiPF?按照1:1的比例溶解于碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合溶劑中（體積比為1:1），形成均勻溶液，加入AIBN引發(fā)劑，通過磁力攪拌器在60℃下攪拌4小時，得到透明的薄膜溶液。將表面分散有氮化鎂的鋰片放入薄膜溶液中，使溶液均勻地涂覆在鋰片表面，形成一層厚度約為80μm的液膜。將涂有液膜的鋰片放入恒溫干燥箱中，在70℃下反應(yīng)8小時，在引發(fā)劑的作用下，季銨鹽單體在鋰片表面發(fā)生原位聚合反應(yīng)，形成一層均勻的季銨鹽原位聚合物薄膜。聚合反應(yīng)完成后，將鋰片取出，用碳酸酯類溶劑輕輕沖洗表面，去除未反應(yīng)的單體和雜質(zhì)，然后在真空干燥箱中干燥1.5小時，得到表面同時覆蓋有氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的鋰金屬負(fù)極。電池組裝同樣在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行，以表面覆蓋有氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的鋰片作為負(fù)極，選用商業(yè)化的LiFePO?作為正極材料，其理論比容量為170mAh/g，具有較高的能量密度和良好的循環(huán)性能。隔膜采用Celgard2400聚丙烯微孔膜，該隔膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和離子透過性，能夠有效隔離正負(fù)極，防止短路。將正極片、隔膜和負(fù)極片依次疊放，采用卷繞或疊片的方式組裝成2032型扣式電池。在組裝過程中，確保各組件之間緊密接觸，以減少電池內(nèi)部的電阻。組裝完成后，將電池在室溫下靜置18小時，使電解質(zhì)充分浸潤電極和隔膜，然后進(jìn)行后續(xù)的性能測試。5.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析對同時使用氮化鎂和季銨鹽原位聚合物保護(hù)的鋰-鋰對稱電池進(jìn)行循環(huán)性能測試，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以清晰地看出，未添加任何保護(hù)材料的對照組電池，在0.5mA/cm2的電流密度下，循環(huán)壽命僅為150小時左右，且在循環(huán)過程中，電壓極化迅速增大，表明電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象嚴(yán)重，鋰枝晶的快速生長導(dǎo)致電池的性能快速衰退。單獨(dú)添加1%氮化鎂的電池，循環(huán)壽命可延長至300小時左右，電壓極化得到一定程度的抑制，但仍呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。單獨(dú)添加季銨鹽原位聚合物的電池，循環(huán)壽命可達(dá)400小時左右，電壓極化在循環(huán)初期相對穩(wěn)定，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，極化現(xiàn)象也逐漸明顯。而同時添加1%氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的實(shí)驗(yàn)組電池，循環(huán)壽命顯著延長，在相同電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)超過600小時，電壓極化在整個循環(huán)過程中保持相對穩(wěn)定，波動較小。這充分證明了氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的協(xié)同作用能夠顯著提高鋰-鋰對稱電池的循環(huán)穩(wěn)定性?！敬颂幉迦雸D7：不同保護(hù)材料下鋰-鋰對稱電池在0.5mA/cm2電流密度下的循環(huán)性能曲線】為了進(jìn)一步分析協(xié)同作用對電池性能的影響，對鋰-銅電池進(jìn)行了庫倫效率測試，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以明顯看出，未添加保護(hù)材料的對照組電池，在循環(huán)初期，庫倫效率較低，約為80%，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，庫倫效率迅速下降，在循環(huán)50次后，庫倫效率降至60%左右，電池容量也出現(xiàn)了明顯的衰減。單獨(dú)添加氮化鎂的電池，庫倫效率在循環(huán)初期有所提高，可達(dá)85%左右，但在循環(huán)100次后，庫倫效率降至70%左右。單獨(dú)添加季銨鹽原位聚合物的電池，庫倫效率在循環(huán)初期較高，可達(dá)95%左右，但在循環(huán)200次后，庫倫效率降至85%左右。而同時添加氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的實(shí)驗(yàn)組電池，庫倫效率在循環(huán)初期高達(dá)98%以上，且在循環(huán)300次后，庫倫效率仍能保持在93%左右，電池容量保持率較高。這表明氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的協(xié)同作用能夠有效抑制鋰枝晶的生長，減少活性鋰的損失，提高電池的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性?！敬颂幉迦雸D8：不同保護(hù)材料下鋰-銅電池的庫倫效率對比圖】采用掃描電子顯微鏡（SEM）對循環(huán)后的鋰負(fù)極表面進(jìn)行觀察，以直觀地分析協(xié)同作用對鋰枝晶生長的抑制效果。圖9展示了未添加保護(hù)材料、單獨(dú)添加氮化鎂、單獨(dú)添加季銨鹽原位聚合物以及同時添加氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極在循環(huán)100次后的SEM圖像。從圖中可以清晰地看到，未添加保護(hù)材料的鋰負(fù)極表面布滿了大量的鋰枝晶，鋰枝晶呈現(xiàn)出尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，長度可達(dá)數(shù)微米，這些鋰枝晶的生長不僅會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，還會造成活性鋰的損失，降低電池的容量和循環(huán)壽命。單獨(dú)添加氮化鎂的鋰負(fù)極表面，鋰枝晶的生長得到了一定程度的抑制，但仍存在較多較長的鋰枝晶。單獨(dú)添加季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極表面，鋰枝晶的生長得到了明顯抑制，負(fù)極表面相對平整，但仍有少量細(xì)小的鋰沉積物。而同時添加氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極表面，鋰枝晶的生長得到了更有效的抑制，負(fù)極表面非常平整，幾乎看不到鋰枝晶的存在，僅有極少量的細(xì)微鋰沉積物。這進(jìn)一步證明了氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的協(xié)同作用能夠更有效地抑制鋰枝晶的生長，提高電池的安全性和穩(wěn)定性?！敬颂幉迦雸D9：（a）未添加保護(hù)材料、（b）單獨(dú)添加氮化鎂、（c）單獨(dú)添加季銨鹽原位聚合物、（d）同時添加氮化鎂和季銨鹽原位聚合物的鋰負(fù)極在循環(huán)100次后的SEM圖像】綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氮化鎂和季銨鹽原位聚合物在鋰負(fù)極保護(hù)中具有顯著的協(xié)同作用。二者協(xié)同作用時，通過優(yōu)化鋰離子傳輸路徑、增強(qiáng)界面穩(wěn)定性以及更有效地抑制鋰枝晶生長，顯著提