以傳統(tǒng)石墨負(fù)極為代表的鋰離子電池的能量密度已經(jīng)接近于理論極限（——250 Wh kg-1）,無法進(jìn)一步滿足航空航天、新能源汽車、無人機(jī)等新興領(lǐng)域?qū)Χ坞姵啬芰棵芏鹊男枨蟆Ｒ凿嚱饘贋樨?fù)極的新型儲(chǔ)能電池理論能量密度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有鋰離子電池（>400Wh kg-1），被認(rèn)為是新一代電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，極具發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢豢煽氐匿囍L和不穩(wěn)定的鋰金屬/電解液界面嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)宋江選教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種電化學(xué)穩(wěn)定的具有自適能力的靜電屏蔽層用于鋰金屬負(fù)極。該靜電屏蔽層利用芳香環(huán)取代基調(diào)控電荷分布來降低其還原電位實(shí)現(xiàn)電化學(xué)穩(wěn)定，利用其靜電效應(yīng)自適應(yīng)地均勻化電極表面的電流密度，從而調(diào)控鋰沉積行為并實(shí)現(xiàn)高沉積容量（4 mAh cm-2）下的無枝晶沉積形貌。基于該靜電屏蔽層所構(gòu)建的鋰金屬軟包電池在極限條件下（高面容量5.7 mAh cm-2，大電流2.7 mA cm-2，低電解液用量2.5 g Ah-1），展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性且能量密度>400 Wh kg-1。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際知名期刊《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上，西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生趙培鈺為第一作者。

自適應(yīng)靜電界面層作用機(jī)理示意圖

為進(jìn)一步提高鋰金屬電池穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)從材料底層設(shè)計(jì)出發(fā)，基于鋰沉積晶面調(diào)控策略開發(fā)了一種原位鑭摻雜的鋰金屬負(fù)極用于高比能鋰金屬電池。作者發(fā)現(xiàn)通過鑭摻雜后優(yōu)選生長晶面由傳統(tǒng)的（110）晶面轉(zhuǎn)變?yōu)椋?00）晶面，促使鋰電化學(xué)沉積時(shí)二維生長，在10 mAh cm-2的超高面積容量下也能實(shí)現(xiàn)光滑致密的無枝晶鋰沉積形貌。與此同時(shí)，鑭摻雜進(jìn)一步降低了鋰金屬/電解液的界面副反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬/電解液界面穩(wěn)定化。基于上述策略所構(gòu)建的鋰金屬軟包電池能量密度高達(dá)達(dá)425 Wh kg-1，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，單圈容量衰減率僅為0.098%。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際知名期刊《先進(jìn)材料》 （Advanced Materials）上，西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生張艷華和趙培鈺為共同第一作者。