锂金属负极因其高理论容量和低还原电位被认为是最有潜力的金属负极材料。然而，低温下离子传输动力学的不足和枝晶的生长使得锂金属电池存在严重电池容量的衰减和一系列安全问题。实际上，这些问题都与锂金属负极的沉积和成核条件密切相关。 为了应对上述挑战，上海电力大学的闵宇霖教授联合同济大学刘明贤教授和澳大利亚阿德莱德大学郭再萍院士，以2,4,6-三羟基苯磺酰氟有机小分子为主体在铜箔表面构建活性层以引导锂离子的定向沉积，使低温下的锂沉积物形态致密，从而获得更高的锂循环库仑效率 (≥ 98%)。优化后的活性层使锂金属电池在 −60 至 30 ℃ 温度范围内能够稳定运行，为先进的锂负极设计开辟了新的途径。
通过DFT计算比较了不同化学组分与锂离子的配位距离和相应的巴德电荷转移，证明了2,4,6-三羟基苯磺酰氟对锂离子独特的结合能力，有利于负极/电解液界面的锂离子转移和成核，这种优势即使是在低温下(−60 ℃)也得到了保持。 作者通过XRD和电荷密度梯度分析了低温下的锂成核趋势，验证了有机小分子对锂优势成核的调控作用。通过扫描电子显微镜和冷冻透射电子显微镜测试，发现有机小分子调控的锂负极显示出更致密的沉积，这表明活性层有利于快速的锂成核，从而提高负极的库伦效率。 (a) 在−30 ℃用不同基材锂电镀/剥离后的XRD图谱。(b) 不同基体中镀锂后负极表面的电位分布和高度变化。(c) 有机活性层在 (110) 和 (200) 晶面上的吸附能量。(d) 电荷密度梯度系图。不同温度下锂沉积的SEM图像，(e) 铜，(f) 有机活性层。(g) 、(h)不同界面的低温TEM图像。 通过氩离子溅射的XPS光谱分析了不同SEI的界面化学组分，(a, b) 铜。(c, d) 有机活性层。负极/电解质界面反应的原位拉曼测试。 最终，该有机小分子活性层在锂金属电池中表现出稳定的循环和优异的低温倍率性能。这项工作为无枝晶的低温锂金属电池提供了一种新策略。 论文信息 Sulfonyl Molecules Induced Oriented Lithium Deposition for Long-Term Lithium Metal Batteries Da Zhang, Rong Gu, Yunxu Yang, Jiaqi Ge, Dr. Jinting Xu, Prof. Qunjie Xu, Dr. Penghui Shi, Prof. Mingxian Liu, Prof. Zaiping Guo, Prof. Yulin Min 文章的第一作者是博士研究生张达。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202315122
