传统锂离子电池在低温条件下容量的快速衰减，成为制约其应用于电动汽车、极地探索和航空航天等领域的关键瓶颈。而锂金属负极因其极高的理论比容量和最低的氧化还原电位，有望提升低温条件下锂电池的能量密度，被公认为下一代高能量密度储能体系的终极选择。然而，低温（＜-20 ℃）环境下，电解液副反应加剧，锂离子沉积动力学急剧减缓，导致固态电解质界面（SEI）不稳定、锂枝晶肆意生长。迄今为止，构建稳定的SEI仍是锂金属电池（LMB）低温运行面临的一项核心难题。

  一般而言，SEI可分为富有机组分SEI和富无机组分SEI两类。富有机SEI具有一定的机械柔韧性，能够在一定程度上适应锂负极的体积变化，但其机械强度较低，难以有效抑制锂枝晶生长，也难以阻挡溶剂分子持续渗透，从而无法充分抑制电解液与锂金属之间的持续副反应。相比之下，富无机SEI，如富含LiF的SEI，通常具有更高的离子传输效率和机械强度，但其低温脆性较大，在电极体积膨胀或界面应力累积过程中容易发生机械失效（图1a）。因此，构建兼具有机与无机相优势的SEI，是LMBs实现低温稳定循环的可行方案。

  近日，北京化工大学曹鹏飞教授与田明教授团队另辟蹊径，提出了一种“选择性传输”高分子弹性体涂层设计策略。该团队在锂负极表面构筑了一层具有溶剂排斥功能的聚硅氧烷（PSiO）基弹性体涂层（cPSiA₃F₇），实现了锂离子的高效导通与有机溶剂的有效阻隔。该策略巧妙地将弹性体涂层作为SEI外层，同时诱导内层原位生成富含LiF的无机界面层，从而构建出高度有序的有机-无机双层SEI结构（图1b）。这种双层SEI充分发挥了有机相与无机相的协同优势：柔性外层能够有效缓冲锂负极体积变化引起的界面应力集中，富无机内层则有助于促进锂离子的均匀传输与快速沉积。得益于该界面结构，搭配工业级NCM811正极（活性材料含量97.5%）的锂金属全电池在-25 ℃低温、0.5 C倍率条件下循环300圈后，容量保持率仍高达99.3%。

  2026年7月3日，该研究以题为"A Selective-Transport Elastomeric Coating Regulating Hierarchical Solid Electrolyte Interphase for Low-Temperature Lithium-Metal Batteries"的论文发表在《Advanced Materials》。北京化工大学博士生丁航为论文第一作者，北京化工大学曹鹏飞教授与田明教授为论文共同通讯作者。

图1. 传统有机-无机杂化层SEI与双层SEI（有机聚合物外层+无机内层）的演变过程与作用机制

一、弹性“选择性传输”涂层的分子设计与“筛分”机制

图2. 弹性体涂层的合成路线及性能表征

  作者以低玻璃化转变温度的PSiO为主链，接枝羧基（AA）和氟化酯（TFA）两种侧链，协同解决了PSiO与锂盐耦合弱的问题：羧基形成亲锂的-COOLi界面，氟化酯基团提升离子传导能力。通过调控两者比例，筛选出综合性能最优的cPSiA₃F₇作为最终研究对象。H型电解池实验证实，cPSiA₃F₇涂层可有效阻隔有机溶剂渗透，同时允许锂盐离子（Li⁺和PF₆^-）顺利穿过，这种“筛分”特性为双层SEI的构筑奠定了决定性基础。

二、弹性“选择性传输”涂层的锂沉积调控与界面探究

图3 弹性涂层的锂沉积调控与界面探究

  有限元模拟与实验表明，弹性体涂层的介电常数和表面能是调控锂沉积形貌的关键参数。高介电常数有助于在锂负极界面形成更均匀的电场分布，降低离子浓度梯度，诱导均匀沉积。cPSiA?F?凭借适中的表面能和较高的介电常数，在25 ℃和-25 ℃下均实现了致密、均匀的锂沉积。AIMD模拟进一步揭示，弹性体涂层作为物理屏障有效隔绝了溶剂分子与锂金属的接触，界面副反应被显著抑制。

三、优异的电化学动力学与界面稳定性

图4施加弹性涂层前后锂金属电极的电化学性能对比

  -COOLi亲锂界面的原位形成使cPSiA₃F₇-Li电池体系的锂离子迁移数从0.48提升至0.71；DFT计算表明，-CF₃基团的吸电子效应降低了酯基与Li?的结合能，有效降低了去溶剂化能垒（53.72 vs. 56.73 kJ mol^-1）。长循环测试中，cPSiA₃F₇-Li对称电池室温下稳定循环超2000小时，-25 ℃、0.2 mA cm^-2条件下超500小时，而裸锂200小时后即严重极化，电压急剧攀升。循环后表征显示，裸锂表面因枝晶刺穿发生微短路，而cPSiA?F?-Li界面保持平滑稳定。

四、双层SEI结构解析

图5 施加弹性涂层前后SEI的纳米结构分析

  XPS深度刻蚀证实，cPSiA₃F₇涂层诱导SEI形成明确的“外层有机、内层无机”双层梯度结构：表层以F-C有机信号为主，随刻蚀加深F-Li信号急剧增强并成为深层主峰。ToF-SIMs三维重构图进一步佐证，有机组分集中在最表层，内层以LiF₂^-等无机信号为主。AFM模量分布显示双层SEI模量更均匀，平均模量（11.99 GPa）略低于裸锂LiF-rich层（13.16 GPa）。相场模拟表明，双层SEI既能抑制枝晶生长，又能通过外层柔性形变有效降低应力集中，兼具化学与机械双重稳定性。

五、全电池验证：-25 ℃下300圈容量保持99.3%，兼容多种电解液

图6 弹性“选择性传输”涂层对Li||NCM811全电池循环稳定性的影响

  cPSiA₃F₇-Li||NCM811全电池在-25 ℃、0.5 C下循环300圈后容量保持率高达99.3%，而Bare-Li||NCM811全电池仅51.8%。薄锂条件下，200圈后cPSiA₃F₇-Li||NCM811全电池保持率仍达80.2%，Bare-Li||NCM811全电池仅44.2%。并且，该策略与多种电解液兼容良好，制备的软包电池在-25 ℃下循环100圈后保持率超80%，并能稳定点亮LED，展现出规模化应用前景。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73917

通讯作者简介：

  曹鹏飞，北京化工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师， Supramolecular Materials和RSC Applied Polymers副主编，Macromolecules（2022-2024） 和MRS Communications 编委，Advanced Materials 和Macromolecular Rapid Communications 客座编辑（Special Collection on Dynamic Polymers）。入职北化之前任美国能源部橡树岭国家实验室正式研究员（永久岗位，独立PI）。主要研究动态高分子弹性体的设计合成、力学/流变分析及其在密闭胶、可回收材料和固态电解质等领域的应用。至今已发表SCI学术论文130余篇，以通讯作者在CCS Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Matter等国际主流期刊发表论文80余篇，撰写著作章节3部，获得授权国际发明专利9项。获得创新奥斯卡之称的 R&D 100 Award-2021（项目负责人）、美国化学会高分子杰出青年研究奖（ACS-PMSE Young-Investigator Award-2021）和材料科学之星（ACS-Rising Star in Materials Science-2023）、英国皇家化学会材料新星（RSC-Materials Horizons Emerging Investigator-2024）等荣誉。

  田明，北京化工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，教育部重点实验室主任，国家高层次领军人才。研究方向：特种功能橡胶材料及聚合物基复合材料。主持国家杰出青年科学基金、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金重点项目、国家863计划、国家科技支撑计划等项目，173项目技术首席。发表学术论文200余篇，授权发明专利80余件。