工程中心张云教授团队在锂金属负极研究中取得重要进展

锂金属电池凭借着较高理论比容量（3860 mAh g⁻¹）和较低的电化学势（−3.04 V）成为最具潜力的高能量密度储能器件之一。然而，锂金属负极不可控的锂枝晶生长和界面副反应等问题，仍是当前锂金属电池应用过程中面临的重大挑战。

近日，我校材料科学与工程学院张云教授团队基于正五价的聚锑酸材料（PAA）与金属锂反应生成的Li₃Sb合金具有亲锂性和离子电导性，以及PAA独特的富含晶格水的烧绿石结构。通过锂金属负极结构设计和界面保护的策略，在稳定锂金属负极方面取得了重要进展。分别发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science（DOI：10.1039/D3EE04243J）和Angewandte Chemie International Edition（DOI：10.1002/anie.202403399）上。四川大学材料科学与工程学院均为成果唯一通讯单位，博士研究生张玥莹为论文第一作者。吴昊教授、张云教授和尧猛副研究员为论文的通讯作者。

图1.一体化复合锂金属负极有效抑制枝晶生长

团队首次将富含晶格水的聚锑酸材料（PAA）与锂进行热诱导反应，基于各反应产物的表面能和与金属锂的界面能之差促进各组分的相分离，形成了具有自上而下组分梯度（Li₂O-LiOH-Li₃Sb/Li）的一体化复合锂金属负极。研究结果表明，形成的坚固的富Li₂O界面保护层，增强了电化学稳定性，而中间层LiOH-Li₃Sb界面促进了Li⁺快速、均匀的传输，从而在亲锂的Li₃Sb/Li底层实现无枝晶的锂沉积形貌。更重要的是，Li-PAA@EOCC与固态电解质展示出良好的兼容性，这标志着该复合锂金属负极在实现安全锂金属电池方面具有应用潜力。相关工作以题为“ALarge-capacity,Superhigh-rateIntegratedLithiumMetalAnode withTop-downCompositionGradientEnabled byPolyantimonicAcid”发表在能源与环境科学领域顶级期刊Energy & Environmental Science上（DOI：10.1039/D3EE04243J）。

图2.梯度介电特性三维骨架制备流程图

同时，针对三维基底内部缓慢的传质动力学过程以及扩散路径延长等导致的骨架内部锂离子浓度极化、锂顶部沉积和枝晶生长等问题，巧妙设计了具有反向梯度介电特性的三维结构作为载锂基体。该结构促进锂离子向基底底部快速的传输，实现了“自下而上”的锂沉积行为。同时，锂沉积过程形成的Li₃Sb赋予了三维结构亲锂特性，降低了锂形核势垒，并形成了稳定的SEI层，促进了金属锂的均匀沉积。这为复合锂金属负极的三维载锂骨架的梯度结构设计提供了新的思路。相关工作以题为“A 3D Hierarchical Host with Gradient-Distributed Dielectric Properties toward Dendrite-free Lithium Metal Anode”发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition（DOI：10.1002/anie.202403399）上。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee04243j

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202403399