化学图像化设计亲锂界面在安全锂金属电池中协调空间电子和热催化动力学

锂金属电池具有比传统锂离子电池更低的氧化还原电位（−3.04 V vs. RHE）和更高的理论容量（3860 mAh g⁻¹），已经成为下一代高能量密度电池的发展方向。然而锂金属电池仍面临一些阻碍其实际应用的关键挑战，包括金属锂的高化学活性、不稳定的固体电解质界面（SEI）、无限制的电极体积膨胀和不可控的锂枝晶生长等。此外，实际应用中复杂的环境条件和超长的运行时间，对锂金属电池的循环稳定性和热安全性能提出了更高的要求。

近日，中国科学技术大学胡源教授、朱纪欣教授课题组提出了一种化学图案化设计修饰商用铜箔的策略，制备兼具电化学稳定性与热安全性的锂金属复合负极，有效提升锂金属电池的安全性能。

首先利用墨水直写技术，在商业铜箔表面构筑具有高亲锂性的Cu(OH)₂纳米线阵列。亲锂阵列的引入有效降低锂成核势垒，引导空间锂离子均匀成核，促进循环可逆的锂沉积/剥离，进一步制备紧凑稳定的复合负极。此外，复合负极表面含有大量C−F组分，可以显著增强界面处与锂的相互作用，维持稳定的SEI界面。这种坚固、富氟、稳定的SEI界面有助于抑制电解液的分解，延缓金属锂与电解液的副反应；同时可以抑制锂枝晶的生长，实现无枝晶的稳定均匀锂沉积，并显著减少复合电极体积膨胀，提高循环稳定性。重要的是，复合负极在实际应用中展现出优异的电化学与热安全性能。复合负极与商业高负载磷酸铁锂正极组装的全电池在多个温度下具有稳定的倍率性能和循环性能。在热失控过程中，复合负极可以促进高温过程中CO催化转化为CO₂，从而实现抑烟减毒，降低电池热失控的危害。软包电池在针刺测试中，也没有出现明显的热失控现象，有效展现了锂金属电池的安全性能。

因此，该工作为设计锂金属复合负极提供了新的方法，展示了一种将电化学稳定性与热安全性相结合的新思路，有助于推动建立更可靠安全的储能系统。