随着电动汽车和便携式电子设备的蓬勃发展，市场对高能量密度储能器件的需求日益迫切。然而，传统石墨负极的理论比容量仅为372 (mA·h)·g-1已难以支撑电池能量密度的进一步提升。而锂金属负极因其极高的理论比容量[3 860 (mA·h)·g-1]与极低的电化学电势（相对于标准氢电极为-3.04 V），被视为下一代高比能电池的“圣杯”材料[1-3]。然而，重复的沉积/剥离过程会引起巨大的体积变化，诱导锂枝晶生长[4-5]。枝晶的无序生长不仅会刺穿隔膜引发电池短路，还会形成“死锂”，导致活性物质损失和容量快速衰减，锂金属的高反应活性使其在循环过程中极易与电解液发生副反应，导致库伦效率降低，严重阻碍了锂金属电池的商业化应用[6-8]。

为了解决上述问题，研究人员在电解液改性[9-11]、三维集流体设计[12-14]以及人工固体电解质界面（solid electrolyte interphase，SEI）膜构建[15-17]等方面进行了大量探索。在电解液改性方面，添加剂的引入是调控界面稳定性的有效手段，例如，Zhang等[18]在电解液中引入氟代碳酸乙烯酯，诱导生成了富含LiF的SEI膜，显著改善了锂的沉积形貌；Yan等[19]通过引入不对称三卤代芳香族锂盐，原位构建了富含LiF/LiBr的SEI膜，利用LiF的高模量和LiBr的低扩散势垒显著提升了界面稳定性，抑制了枝晶形成。这种富含LiF的SEI膜均化了基底表面的电流密度，从而抑制锂枝晶的形成，实现均匀的锂金属沉积。然而，电解液添加剂在长循环中会被持续消耗，最终导致保护失效。在集流体设计方面，构建三维骨架可以有效降低局部电流密度并缓解体积膨胀[20]，如Luan等[21]设计了三维氮掺杂氧化铜集流体，Liu等[22]开发了中空碳纤维骨架，均在一定程度上实现了无枝晶沉积。尽管如此，三维集流体往往侧重于物理结构的调控，难以解决锂金属表面化学不稳定的问题。

在锂金属表面构建人工SEI膜是阻断副反应、抑制枝晶生长的直接策略。本研究提出了一种简便高效的原位光聚合策略，利用聚(乙二醇）二丙烯酸酯(poly(ethylene glycol） diacrylate，PEGDA）以及双三氟甲烷磺酰亚胺锂[lithium bis(trifluoromethanesulfonyl）imide，LiTFSI]，在锂金属表面原位构建了一层PEGDA-LiTFSI（PL）复合SEI膜。一方面，有效适应锂沉积-剥离过程中的体积变化，保持界面的完整性；另一方面，LiF等无机组分能均匀锂离子沉积[23]，从而抑制锂枝晶的成核与生长，延长电池循环寿命。

1 实验部分

1.1 原 料

PEGDA（平均分子量1 000）、LiTFSI（纯度99.99%）、2-羟基-2-甲基苯丙酮（2-hydroxy-2-methylpropiophenone，HMPP）（质量分数99%）和N-甲基吡咯烷酮（N-methylpyrrolidone，NMP）（纯度99.5%）：阿拉丁试剂。聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）（分析纯）、导电碳（conductive carbon black，Super P）、磷酸铁锂（lithium iron phosphate，LFP）、铜箔、涂碳铝箔和电池壳（CR2032）：东莞科路得创新科技有限公司。电解液（溶质为1.0 mol/L的LiPF6，溶剂是体积比为1∶1∶1的碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯）和金属锂片：苏州多多化学科技有限公司。隔膜（Celgard 2400）：赛博电化学材料。

1.2 PL膜的制备

将0.359 g LiTFSI溶于2.5 mL PEGDA中搅拌3 h，随后加入5 mg HMPP搅拌12 h得到前驱体溶液。在氩气填充的手套箱中，将7 μL前驱体溶液均匀地涂覆至厚度为50 μm的锂片表面。然后，将涂覆有前驱体溶液的锂片使用紫外灯照射2 min，以确保PEGDA单体聚合形成PL，聚合物交联的反应如式（1）所示。

<G:\武汉工程大学\2026\第2期\黄 睿-0.tif>[H2C][CH2][O][O][n][O][O][O][O][O][O][n][n][O][O][O][O] （1）

在紫外光照射下，光引发剂HMPP发生均裂产生自由基。这些活性自由基攻击PEGDA单体末端的丙烯酸酯双键（C=C），引发链增长反应，最终使PEGDA单体交联形成三维聚合物网络[24]。

1.3 电极制备、电池组装与测试方法

将LFP、Super P与PVDF按质量比8∶1∶1混合，加入NMP研磨成均一浆料，涂覆于涂碳铝箔表面，80 ℃真空干燥12 h后冲裁成直径为13 mm圆片。

所有扣式电池（CR2032）的组装均在充满高纯氩气[水氧含量(体积分数)＜0.000 1%]的手套箱中进行。在Li||Li对称电池的两侧电极分别是PL修饰的锂（PL-Li）或未修饰的锂（Li）。全电池的正极极片是LFP，负极分别是PL-Li和Li，电解液固定用量为60 μL。

采用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）（Nicolet iS50）在800~3 200 cm-1波数范围内对PL保护层进行结构组分分析；利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）（Hitachi，S-5500）及其配备的能量色散谱仪（energy dispersive spectroscopy，EDS）观测样品的微观结构与表面形貌。采用电化学工作站，在2.5~4.0 V（vs. Li+/Li）电压范围内以0.1 mV·s-1的扫描速率测试电池的循环伏安（cyclic voltammetry，CV）曲线。电池的循环测试在蓝电测试系统上进行，对称电池设定恒定电流密度与恒定容量密度分别为0.5 mA·cm-2与2 (mA·h)·cm-2。对于LFP全电池，先以0.5 C倍率活化3圈，随后在1 C倍率下进行长循环性能测试。

2 结果与讨论

2.1 PL的结构与形貌表征

通过原位光聚合的方法，在锂金属表面制备了PL保护层。图1展示了PL前驱体溶液聚合前后的FTIR对比谱图。PL前驱体溶液在1 635 cm-1处显示出明显的C=C双键伸缩振动峰。光聚合后，PL的FTIR谱图中该C=C峰消失，确认了交联网络的成功构建。

<G:\武汉工程大学\2026\第2期\黄 睿-1.tif>[3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500

波数 / cm-1][相对透过率][光聚合前][光聚合后][C=C][=CH2]

图1 光聚合前后PL的FTIR谱图

Fig. 1 FTIR spectra of PL before and after

photopolymerization

利用SEM和EDS对原位光聚合形成的PL保护层的微观形貌及元素分布进行了观察与分析。图2（a）显示原位聚合后的锂片表面覆盖了一层均匀、致密无裂纹的聚合物薄膜。为了进一步确认保护层的化学组成及分布均匀性，对该区域进行了EDS元素面扫描分析。如图2（b-d）所示，碳（C）、氧（O）和氟（F）3种关键元素呈现出高度均匀的分布。其中，C和O元素主要来源于聚合物骨架，而F元素则来源于LiTFSI。各组分在微观尺度上的均匀分散，有利于引导均匀的锂离子沉积，从而有效抑制局部锂枝晶的成核。

<G:\武汉工程大学\2026\第2期\黄 睿-2.tif>[（b）][（a）][（d）][（c）][1 μm][1 μm][1 μm][1 μm][C][F][O]

图2 （a）PL的SEM图；对应的EDS面扫图：

（b） C，（c） O，（d） F

Fig. 2 （a） SEM image of PL； Corresponding EDS

surface scan images of C （b）， O （c）， F （d）

此外，为了测定PL保护层的厚度，对其截面SEM图进行观察。如图3所示，PL保护层与锂金属贴合紧密，界面结合良好，未见剥离或空隙。测量结果显示，该PL保护层的厚度约为7.95 μm。

<G:\武汉工程大学\2026\第2期\黄 睿-3.tif>[5 μm][7.95 μm]

图3 PL的SEM截面图

Fig. 3 Cross sectional SEM image of PL

通过原位光聚合，PL保护层与锂金属负极形成了紧密界面接触，降低了电解液消耗，并抑制了“死锂”的产生。为评估循环后界面结构稳定性，将Li||LFP、PL-Li||LFP全电池循环10圈后拆解，并对锂负极的截面形貌进行了SEM分析（图4）。如图4（a）所示，循环后Li负极呈现疏松多孔的“粉化”形貌，这是由于天然SEI破裂诱发枝晶生长和死锂堆积所致。循环后PL-Li负极[图4（b）]呈现截然不同的形貌特征，其截面未观察到明显的孔隙或粉化。PL在循环过程中保持了优异的结构完整性，紧密地贴合在锂金属表面。这表明原位光聚合的PL能够适应锂沉积过程中的体积变化，同时有效规避了局部电流密度的集中，从而实现了致密且无枝晶的锂沉积。这种锂负极表面状态的显著差异直接解释了PL-Li在全电池测试中优异的循环稳定性和高比容量保持率。

<G:\武汉工程大学\2026\第2期\黄 睿-4.tif>[10 μm][10 μm][PL-Li][Li][（b）][（a）]

图4 Li||LFP（a）、PL-Li||LFP（b）全电池中循环10圈后锂金属负极横截面SEM图

Fig. 4 Cross-sectional SEM images of lithium anodes after 10 cycles in Li||LFP （a） and PL-Li||LFP （b） full cells

2.2 PL对Li||Cu电池性能的影响

图5展示了Li||Cu电池的电化学测试结果。在负扫过程[图5（a）]中，PL-Li电极在1.1 V附近出现还原峰，归因于LiTFSI盐在锂表面的分解[24]。这一过程先于锂沉积发生，有利于在界面处原位构筑一层富含LiF等无机组分的SEI膜，有效阻断了活性锂与溶剂的直接接触，从而抑制了电解液的持续副反应。在随后的正扫（锂剥离）过程中，两条曲线均在0.2 V附近出现氧化峰。然而，PL-Li剥离峰电流（3.5 mA）显著高于Li（2.5 mA），且峰面积更大。这一结果表明，在相同的沉积条件下，PL-Li具有更高的活性锂回收率和更低的可逆容量损失。相比之下，Li较低的峰电流反映了其在沉积/剥离过程中因SEI反复破裂和死锂堆积而导致了严重的容量衰减。由此可见，PL显著提升了锂金属负极的电化学可逆性和界面稳定性。

图5（b）为PL-Li和Li组装的Li||Cu电池锂沉积成核曲线。从曲线的最低点可以观察到PL-Li具有更小的成核过电位（μnuc），PL-Li的成核过电位仅为0.015 V，显著低于Li（0.082 V）。较低的成核过电位表明锂离子通过PL膜到达负极界面的成核能垒更低，从而加速了Li+的沉积过程。因此，即使在高倍率下，PL-Li仍能保持较低极化和较快反应动力学，进而展现出优异的倍率性能[25]。图5（c）展示了在恒定电流密度为0.5 mA·cm-2和恒定容量密度为1 (mA·h)·cm-2测试条件下的库伦效率循环曲线。Li||Cu在循环初期的库伦效率较低且波动较大，仅在稳定循环约60圈后便出现“断崖式”下跌，库伦效率迅速衰减至20%以下。而PL-Li||Cu不仅具有更高初始库伦效率，而且在110圈的循环过程中，库伦效率曲线始终保持平稳（维持95%左右），未出现明显的波动或衰减。PL-Li||Cu优异的电化学性能有力地证明了PL-Li保护层具有优良的电化学稳定性，能够有效阻断锂金属与电解液之间的副反应，抑制锂枝晶的生长，从而提高锂金属负极的循环寿命和活性锂利用率。

2.3 PL对Li||Li电池性能的影响

为了进一步评估PL-Li保护层在长循环过程中对锂金属负极的界面保护能力，组装了Li||Li对称电池进行了恒流充放电测试。图6展示了PL-Li||PL-Li和Li||Li对称电池在恒定电流密度为0.5 mA·cm-2与恒定容量密度为2 (mA·h)·cm-2的测试条件下的电压-时间曲线。Li的循环稳定性较差，在循环200 h后，其电压曲线即开始出现明显波动，过电位无序增加。随后，电压滞后急剧扩大，最终电池失效。而PL-Li对称电池循环稳定性极佳，在超过1 200 h的循环测试中，始终保持平稳且规律的电压曲线，且具有较低的电压滞后。这种优异的循环性能得益于PL保护层有效适应了锂沉积-剥离过程中的体积膨胀，保持了界面的完整性，同时富含LiF等无机组分促进了锂离子的均匀沉积，有效抑制了锂枝晶的成核与生长[23]。

<G:\武汉工程大学\2026\第2期\黄 睿-6.tif>[PL-Li

Li][0 325 650 975 1 300

测试时间 / h][0.6

0.3

0

-0.3

-0.6][电压 / V][0.5 mA·cm-2，2 (mA·h) cm-2]

图6 PL-Li||PL-Li、Li||Li对称电池在恒定电流密度

0.5 mA·cm-2与恒定容量密度2 (mA·h)·cm-2的测试条件下的电压-时间曲线

Fig. 6 Voltage-time curves of PL-Li||PL-Li and Li||Li

symmetrical cells at a constant current density of

0.5 mA·cm-2 with a fixed capacity of 2 (mA·h)·cm-2

2.4 PL对Li||LFP电池性能的影响

图7（a）显示，Li||LFP电池初始比容量较低[148 (mA·h)·g-1]且衰减迅速。PL-Li||LFP电池初始比容量高达170 (mA·h)·g-1，在1.0 C倍率下循环300圈后1B表现出优异的容量保持能力，比容量保持率高达95%，库伦效率稳定在99.5%。因此，PL保护层能够有效稳定锂金属负极界面，减缓循环过程中的容量衰减。两种电池在不同循环圈数下的充放电电压曲线如图7（b）所示，随着循环从第1圈到第100圈，Li||LFP电池的电压滞后显著增加，放电平台缩短，表明内阻持续增加和极化加剧。相反，PL-Li||LFP电池在第1、100圈的充放电曲线电压平台平稳且极化极小。此外，图7（c）的倍率性能测试进一步证实了PL-Li的动力学优势。经过0.1 C到4.0 C的不同倍率充放电后，PL-Li||LFP均展现出比Li||LFP更高的放电比容量。在4.0 C的高倍率充放电后，PL-Li||LFP仍能保持约130 (mA·h)·g-1的高容量，而Li||LFP则严重衰减。当电流密度恢复至0.1 C时，PL-Li电池容量几乎完全恢复，证明了其优异的电化学可逆性和高倍率性能。这种优异的倍率性能与图5（b）观测到的低成核过电位结果相对应。PL-Li较低的成核势垒表明其具有更快的电荷转移速率，这确保了在高电流密度下锂离子仍能快速、可逆地穿过界面进行沉积，从而避免了严重极化导致的容量衰减。综上所述，PL保护层不仅有效抑制了锂枝晶生长和副反应，还显著提升了锂离子的传输动力学，从而增加循环寿命，提升倍率性能。

3 结 论

本研究提出并验证了一种简便高效的界面改性策略，通过原位光聚合技术在金属锂表面成功构建了PL保护层。该保护层利用柔性聚合物网络，有效适应锂金属负极在沉积/剥离过程中的体积膨胀，抑制了锂枝晶的生长并阻断了电解液与活性锂之间的持续副反应，从根本上解决了锂金属负极易粉化、死锂堆积及界面不稳定等关键问题，有效保护锂金属负极。电化学测试结果表明，PL-Li在对称电池中实现了超过1 200 h的稳定循环；在与LFP正极组装的全电池中，300圈循环后的比容量保持率高达95%，并展现出优异的倍率性能。本研究为设计高比能、长寿命的锂金属电池提供了解决方案。