上海交通大学孙浩/复旦大学彭慧胜院士，Nature Materials！

研究背景

锂金属电池因其高能量密度和高倍率性能，在消费电子、物联网、电动汽车和电网储能领域具有重要应用前景。特别是无负极锂金属电池，在材料成本、生产便利性和能量密度方面显示出显著优势，是高性能储能应用的有希望的候选者。

关键问题

然而，锂金属电池的应用主要存在以下问题：

1、锂沉积/剥离动力学缓慢与可逆性差

无负极锂金属电池在铜箔上的锂沉积/剥离反应动力学缓慢且可逆性差，导致循环和倍率性能不佳，这严重阻碍了其实际应用。

2、现有聚合物界面层调控能力不足

尽管聚合物界面层可调节负极-电解质界面，但现有聚合物界面层对锂离子吸附、分布和成核的调控能力较弱，限制了其倍率和循环性能。此外，聚酰胺基界面层在无负极电池中的应用，因其分子工程和材料组装的挑战，目前尚不可行。

新思路

有鉴于此，上海交通大学孙浩、复旦大学彭慧胜院士等人报道了一种用于无阳极金属锂电池的二维聚酰胺( 2DPA ) /锂化Nafion ( LN )界面层。通过分子工程，构建了具有大共轭结构和锂离子吸附基团的2DPA层，表现出对锂离子的高效吸附、分布和成核作用。进一步将组装成二维片层的2DPA分子与LN复合，形成具有高速率、高容量锂沉积/剥离的超薄界面层。与其他聚合物界面层相比，这些2DPA / LN层具有更高的倍率性能和最大的能量和功率密度，这使得制备高性能的无阳极软包电池成为可能。总的来说，本研究提出的界面工程方法是一种很有前途的工具，可以将基于二维聚合物界面层的无阳极锂金属电池转化为实际器件，并使具有高能量密度和功率密度的储能技术的制造成为可能。

技术方案：

1、构建并表征了2DPA/LN界面层

作者介绍了2DPA/LN界面层的构建与表征。2DPA为层状纳米片结构，与LN混合后制备出超薄、高离子电导率、高弹性模量和粘附强度的界面层。

2、探讨了2DPA的“吸附-共轭协同效应” 

作者研究了2DPA的“吸附 - 共轭协同效应”，DFT计算表明Li⁺与2DPA中C = O和C = N基团结合，共轭效应使静电势分布均匀，促进Li⁺分布和生长。

3、证实了通过2DPA/LN界面层可改善锂沉积和剥离

2DPA/LN界面层显著改善锂沉积和剥离行为，形成光滑锂片，实现紧密沉积，提升电池循环稳定性、库仑效率和容量，性能超现有技术水平。

4、阐明了2DPA/LN界面层对SEI化学的调控作用

2DPA/LN界面层调控SEI化学，形成富含LiF和Li₃N的稳定SEI层，抑制寄生反应，促进Li⁺传输，展现优异的机械和电化学稳定性。

5、展示了基于2DPA/LN界面层的无负极电池性能

2DPA/LN界面层使无负极电池性能卓越，倍率和循环性能优异，容量保持率高，支持稀电解液运行，体积能量密度和功率密度显著提升。

技术优势：

1、实现了独特的吸附-共轭协同效应

本文通过分子工程设计的2DPA具有大共轭结构和锂离子吸附基团，实现了独特的“吸附-共轭协同效应”。这一机制有效调控了阳极-电解质界面的锂离子吸附、分布和成核，显著提升了锂沉积/剥离的动力学和可逆性，促进了锂的均匀沉积。

2、展示了高性能无负极电池的应用

基于2DPA/LN界面层，无负极锂金属电池实现了卓越的电化学性能，包括高达30 mA cm⁻²的电流密度和10 mAh cm⁻²的容量，并且一个8安时无负极软包电池展现出471 Wh kg⁻¹的能量密度和622 W kg⁻¹的功率密度，这些性能指标远超现有聚合物界面层同类产品，彰显了其在实际应用中的巨大潜力。

技术细节

2DPA/LN界面层的构建与表征

作者详细介绍了二维聚酰胺 (2DPA)/锂化Nafion (LN) 界面层的构建与表征。2DPA通过一步缩聚反应合成，表现出平均厚度为1.4 nm的层状纳米片结构和非晶态特性。通过将2DPA和LN（质量比5:1）分散在NMP中并刮涂在铜箔上，制备出平均厚度50.2 ± 0.3 nm、面载量约0.01 mg cm⁻²的超薄界面层，使其成为无负极锂金属电池中最薄、最轻的聚合物界面层之一。LN的引入显著将界面层的离子电导率从2.01 × 10⁻⁴ S cm⁻¹提高到7.53 × 10⁻⁴ S cm⁻¹。此外，2DPA/LN具有11.5 GPa的弹性模量和2.3 MPa的高粘附强度，证明其足以抑制锂枝晶生长。大面积制备（100 × 20 cm²）的2DPA/LN-Cu箔展现出形貌一致性和极佳的电学均匀性，电阻偏差小于3.5%。

图  用于无阳极锂金属电池的2DPA/LN界面层

图  高均匀性的大面积2DPA/LN-Cu箔

2DPA的吸附-共轭协同效应

作者进一步探讨了2DPA的“吸附-共轭协同效应”及其对界面层内锂离子调控的作用。密度泛函理论(DFT)计算表明，Li⁺通过离子-偶极相互作用（结合能–2.94 eV）与2DPA中C=O和C=N基团结合。2DPA中π-π和p-π共轭效应引起的有效电子离域，使得其静电势分布更均匀，促进了Li⁺与离域电子之间的离子-电子相互作用，从而有利于Li⁺的分布和面内生长。原位拉曼光谱证实2DPA/LN界面层实现了均匀的Li⁺分布。此外，2DPA/LN-Cu表现出更高的微分电容（0.24 F cm⁻²）和更低的Li⁺传输活化能（28.1 kJ mol⁻¹），表明Li⁺去溶剂化和吸附到内亥姆霍兹平面（IHP）的过程得到促进，显著提升了Li⁺传输动力学。

图  IHP调节的吸附-缀合协同效应

通过2DPA/LN界面层改善锂沉积和剥离

2DPA/LN界面层显著改善了锂的沉积和剥离行为。在锂沉积过程中，2DPA/LN-Cu上形成了具有更大平均直径的光滑锂片，呈现出面内锂成核的特点，即使在高电流密度下也能实现紧密的锂沉积。Li||2DPA/LN-Cu电池在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下表现出优异的循环稳定性，平均库仑效率达98.8%，循环寿命超过550次，远超裸铜、PA/LN-Cu和CHPA/LN-Cu电池的性能。即使在20 mA cm⁻²的严苛电流下，2DPA/LN-Cu仍能稳定循环40次，且具有更小的电压滞后。其临界电流密度达到30 mA cm⁻²，并实现了在20 mA cm⁻²下5 mAh cm⁻²、在10 mA cm⁻²下10 mAh cm⁻²的高容量沉积/剥离，性能超越了现有技术水平。此外，2DPA/LN-Cu上的锂沉积层更为致密均匀，厚度接近理论值。

图  锂的电化学性能和沉积形貌||2DPA/ LN-Cu电池

为增强界面稳定性而定制的SEI化学

作者阐明了2DPA/LN界面层对SEI化学的调控作用，从而增强了界面稳定性。TOF-SIMS和XPS分析显示，2DPA主要分布在锂沉积层的外表面，并且形成了富含LiF的SEI。这归因于TFSI−阴离子与2DPA中N-H基团的氢键相互作用，促进了TFSI−迁移到IHP并分解形成LiF。此外，2DPA/LN-Cu中Li₃N含量较高，作为优良的离子导体促进了Li⁺传输。相比之下，裸铜上的Li₂CO₃和ROCO₂Li含量较高，表明溶剂分解严重。2DPA/LN-Cu更高的功函数（4.49 eV）抑制了寄生反应。低温透射电子显微镜（cryo-TEM）证实了LiF和Li₃N纳米晶体在钝化层中的形成。该界面层在长期循环后仍保持高杨氏模量（4.8 GPa），展现出优异的机械和电化学稳定性。

图  源自2DPA/LN界面层的SEI化学

基于2DPA/LN界面层的无负极电池性能

基于2DPA/LN界面层的无负极电池展现出卓越的电化学性能。在实际面容量3.0 mAh cm⁻²下，LiFePO₄无负极电池的最大倍率能力达到5C，在0.1C放电倍率下保持了约63.4%的放电容量，显著优于裸铜和CHPA/LN-Cu。该电池在0.3C充电/0.5C放电条件下循环200次后仍保持约48.0%的初始容量，平均库仑效率高达98.9%。该实验容量保持率高于理论计算值，可能与SEI组分的溶解和锂补偿机制有关。在3C高放电倍率下，电池可稳定循环70次。此外，该界面层展现出292 mA cm⁻² μm⁻¹的电流厚度有效性（TEcurrent）和660 cycles μm⁻¹的循环厚度有效性（TEcycling），远超现有聚合物界面层。它还支持稀电解液条件下的电池运行，并实现了610 Wh L⁻¹的最大体积能量密度。一个8安时NCM811软包电池实现了471 Wh kg⁻¹的能量密度和622 W kg⁻¹的功率密度，相比现有技术有显著提升。该技术还可应用于柔性可穿戴设备，例如无负极纤维电池。

图  2DPA/ LN-Cu无阳极电池的电化学性能

展望

总之，本研究报道了一种2DPA/LN界面层，用于无阳极锂金属电池。2DPA分子的吸附-共轭协同效应和分级组装结构，提升了锂离子吸附、分布和成核性能，实现了高倍率、高容量的锂电镀/剥离。该界面层使无阳极LiFePO₄和NCM811电池展现出优异的电化学性能。研究证明2DPA是构建稳定无阳极电池界面的有前途的材料，为二维聚合物的分子工程和材料组装提供了新见解。

参考文献：

Wang, S., Wang, Y., Ouyang, Z. et al. Molecular engineering of two-dimensional polyamide interphase layers for anode-free lithium metal batteries. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02339-y

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