苏州大学孙靖宇Small Structures：铋烯阵列调控锂金属可逆合金沉积

锂金属具有高理论容量（3860 mAh g⁻¹）和低还原电势（−3.04 V相对于标准氢电极），被认为是高比能二次电池最具前景的负极材料。然而，金属锂在重复的沉积剥离过程中体积变化显著且枝晶生长严重，导致其库伦效率低、循环性能差。鉴于此，三维骨架作为锂金属沉积的宿主可以降低局部电流并缓解体积膨胀。此外，锂合金已被证明可以降低锂成核过电位和诱导锂均匀沉积，从而抑制锂枝晶生长。然而，三维骨架的原位修饰较为繁琐，合金位点的演化机制仍不明晰，需要进一步优化和探究。

苏州大学能源学院孙靖宇教授课题组通过室温电置换反应，在商业泡沫铜骨架上均匀可控地原位生长了铋烯阵列（Bi-ene@CF）。作者首先探究了铋烯阵列的生长机理，进而揭示了锂沉积剥离过程中可逆的合金沉积机制，并且分析了锂沉积剥离的形貌，最后基于锂铋合金负极组装了锂金属全电池原型器件。

作者在室温条件下将商业泡沫铜浸入含铋离子的前驱体溶液，利用电置换反应（2Bi³⁺+3Cu→2Bi+3Cu²⁺），控制反应时间实现了铋烯阵列的原位可控生长，并通过一系列形貌与结构表征确认其成功合成。

作者通过库伦效率测试优化出铋烯阵列的最佳生长时间。进一步通过锂铜半电池和锂锂对称电池测试证明了铋烯阵列有利于显著降低锂成核过电位，降低界面阻抗，提高库伦效率和锂沉积剥离的稳定性。并且在高放电深度下依然可以维持稳定的锂沉积剥离行为。

通过电化学测试和结构表征，作者揭示了锂沉积剥离过程中可逆的合金沉积机制和Li₃Bi中间相的形成。进一步通过理论计算深入分析了其独特优势，一方面增强对锂离子的吸附，从而诱导锂金属的均匀沉积，另一方面降低迁移能垒，从而抑制锂原子的表面扩散和阻隔SEI中的电子导通。最终实现了锂成核行为的优化和锂枝晶生长的抑制。

该工作为锂金属负极保护中三维集流体的合理设计提供了新思路，为锂合金沉积的机制探究提供了有益指导，为未来实用化锂金属电池的研究及应用提供了借鉴。

【通讯作者简介】

孙靖宇：苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师。牛津大学博士。国家四青人才；江苏省杰青；江苏省双创人才。中国化学会高级会员。江苏省“先进碳材料与可穿戴能源技术”重点实验室主任。苏州大学——北京石墨烯研究院产学研协同创新中心主任。国家重点项目首席科学家；国家重点研发计划课题主持人。物理化学学报/科学通报/J. Energy Chem./Chin. Chem. Lett./InfoMat/Battery Energy（青年）编委。2008年本科毕业于浙江大学，2013年于英国牛津大学获博士学位。2013-2015年、2015-2017年分别在北京大学和英国剑桥大学开展研究工作。2017年2月入职苏州大学，2018年受聘北京石墨烯研究院课题组长。主要从事新型石墨烯功能材料、碳基能源材料研究。发展了低维碳材料无转移生长的Direct-CVD技术，研究成果被Nature Mater.等亮点述评。在国内外学术期刊上发表研究论文逾200篇，其中通讯作者论文包括Sci. Adv., Nature Commun., Natl. Sci. Rev., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等，总引用13000余次，h因子为65。

论文信息：

Bismuthene Arrays Harvesting Reversible Plating-Alloying Electrochemistry Toward Robust Lithium Metal Batteries

Yifan Ding, Yingjie Sun, Zixiong Shi*, Xianzhong Yang, Xiaoyu Yu, Xiaojing Wang, Jingyu Sun*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202200313

点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。