华南师大郑奇峰团队Matter：无负极锂金属电池 | Cell Press论文速递

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2023年12月18日，华南师范大学郑奇峰团队在Cell Press细胞出版社期刊Matter上发表了题为“A Low-Fermi-Level Current Collector Enables Anode-Free Lithium Metal Batteries with Long Cycle Life”的研究成果。

该成果报道了通过调节集流体表面费米能级来控制电解液分解行为的策略，抑制了因电解液过度分解而导致的活性锂的损失，实现了无负极锂金属电池的稳定运行。该工作为用于无负极锂金属电池的先进集流体设计提供了一种全新的思路和方法。研究生张学良为第一作者，华南师范大学郑奇峰教授和比利时鲁汶大学（KU Leuven）Jan Fransaer教授为共同通讯作者。

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近年来，为锂电池匹配具有超高理论比容量（3,860 mAh/g）的金属锂负极被认为是实现新一代高能量密度二次电池的有效途径之一。目前，大量锂金属全电池往往选择采用高N/P比（N/P＞10）的策略来获得较好的全电池循环稳定性，但这无疑严重降低了金属锂负极的实际能量密度（＜351 mAh/g vs. 石墨：372 mAh/g），无法实现全电池能量密度的提升。相比之下，无负极化是一种最理想的高能量密度锂金属全电池构筑方案。然而，在电池循环过程中，由于活泼金属锂和有机电解液间不可控、不可逆的副反应所引发的固体-电解质界面（SEI）问题和锂枝晶问题，严重影响了无负极锂金属电池的循环性能。

图1. 无负极锂金属电池的优点及低费米能级集流体的设计思路。

基于此，华南师范大学郑奇峰团队基于对集流体-电解液间的能级调控策略，报道了一种含有Zn-N_x位点的碳纤维集流体（Zn-N-CNF）。通过系统的电化学分析结合理论模拟，研究发现：（1）得益于Zn-N_x对材料表面电子结构的调节作用，Zn-N-CNF集流体具有较低的费米能级，与电解液LUMO能级间的电子转移能垒较高，能有效抑制电解液溶剂的过度分解和活性锂损失；（2）由于集流体对FSI⁻阴离子的强吸附作用，使阴离子优先还原并生成薄且导锂的SEI层；（3）Zn-N-CNF表面被Zn-N_x调节的电子结构会进一步影响局部电场，从而诱导吸附锂的扩散行为和锂金属的径向生长。得益于上述对集流体费米能级的合理调控，Zn-N-CNF集流体表面的金属锂在放电深度（DOD）为50%的测试条件下显示出十分出色的沉积/剥离效率（1 mAh/cm², 1 mA/cm², 99.3%）和稳定性（5 mAh/cm², 5mA/cm², 6000 h）。以Zn-N-CNF为集流体的贫锂全电池（N/P=1.2）在循环1000圈后仍有87%容量保留率。此外，使用这种集流体的无锂负极全电池表现出优异的循环性能，在120次循环后容量保持率为91%，并且在充电-放电曲线中没有观察到电压极化的明显增加，这是迄今为止报道的无负极锂金属电池的最佳循环寿命。该工作为高比能锂电池的发展提供了一种全新的思路和方法。

图2. 采用低费米能级Zn-N-CNF集流体的锂金属电池在苛刻条件下的电化学性能。

本文主要通讯作者华南师范大学郑奇峰教授表示：“电极/集流体作为SEI的宿主，对调控SEI的组分与结构具有非常重要的作用，却往往被忽略。本研究提出了可以通过调控集流体的费米能级，增大其与电解液LUMO能级之间的gap，来调控电解液的分解行为，从而获得导锂性好且薄的SEI，进而诱导锂的二维致密沉积，实现了无负极锂电池稳定的循环。”

相关论文信息

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▌论文标题：

A low-Fermi-level current collector enables anode-free lithium metal batteries with long cycle life

▌论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00579-9

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.017

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