蔺洪振研究团队Nano Letter: 护锂英雄有孤胆，空缺之处是我家（SAC-in-Defects）

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便携式智能器件与长续航动力汽车的发展对可充电的二次电池的能量密度提出了更高的要求。金属锂电池因其高比容量（3860 mA h g-1）和较低的标准电压而备受关注，是理想的高能量密度负极材料。然而，锂金属电池的实际应用仍面临不可控的锂离子动力学问题，如不可控的锂沉积和溶解行为、固态电解质中间相（SEI）界面的反复生成和变形以及体积膨胀等，这会引起严重的锂枝晶问题并缩短锂金属循环寿命。我们在前期的正极研究中发现，金属单原子催化剂与缺陷催化剂能够调控锂离子的动力学行为（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12727; Chem. Eng. J. 2020, 128172; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater. 2020, 28, 375；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434; ChemSusChem 2020, 13, 3404）。基于此，在纳米碳上的金属单原子催化剂SACs可能有助于提供丰富的亲锂结合位点，调节锂的动力学行为，引导锂的均匀沉积而避免枝晶的生成。但目前，除了利用氮掺杂纳米碳来负载SACs的制备方法，仍缺乏发展简单有效锚定和稳定高浓度的SACs方法。
　　针对上述问题，中科院苏州纳米所王健博士与蔺洪振研究员，首次提出利用缺陷位点来锚定金属单原子的方法，将高活性金属单原子锚定在阳离子缺陷化合物中作为锂离子动力学调控层，实现对锂离子动力学的催化，丰富的金属单原子活性位点可引导锂以较低的能垒均匀成核，并促进锂金属表面的无枝晶化过程。

　　与常规的纳米碳材料相比较，阳离子缺陷金属硫化物比纳米碳具有更好的亲锂性。缺陷位点能够捕获并锚定金属单原子，利用球差矫正电镜与X射线吸收光谱表征了钴单原子的形貌与化学环境，并通过能量散射谱分析了钴原子和铁原子的价态特征，确认了Fe1-xS和钴单原子的存在形态。

　　           图1 阳离子缺陷硫化亚铁锚定高活性钴单原子的合成示意图和形貌特征

　　            图2. SACo/ADFS@HPSC复合体系中活性金属单原子的谱学特征

　　高活性的原子位点使SACo/ADFS@HPSC具有协同亲锂和催化锂离子动力学的效应能够显著调控锂沉积行为。活性金属单原子位点降低了锂成核势垒，促进锂的均匀水平沉积，从而获得1600 h的超长寿命和较高的库仑效率，有效阻止了锂沉积过程中的枝晶生长，并对循环后的电极形貌进行了表征与机制研究。

　　            图3. SACo/ADFS@HPSC调控层提升锂金属电极的电化学稳定性和寿命

　　           图4. SACo/ADFS@HPSC对锂金属电极表面锂离子动力学的调控机理解析

　　与常规的SACs一样，SACo/ADFS@HPSC调控层对多硫化物的催化、硫化锂的沉积具有明显的催化作用。调控的锂金属作为负极与硫正极匹配后，锂硫全电池的硫利用率和倍率性能显著提高，倍率最高可达10 C。在1 mA cm-2下，制备的硫面积载量为5.4 mg cm-2的软包电池的面容量为3.78 mA cm-2，体现出了较好的实际应用前景。这项工作提供了一种利用催化材料来控制均匀剥离和沉积锂的表面电化学行为的新策略。

　　          图5. 全电池电化学性能测试

　　以上研究成果的第一作者为王健博士，通讯作者为蔺洪振研究员，以“Long-Life Dendrite-Free Lithium Metal Electrode Achieved by Constructing a Single Metal Atom Anchored in a Diffusion Modulator Layer”为题发表在Nano Letter。文章链接https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.1c00534。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及德国Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金项目支持。


         文章来源：苏州纳米所
      蔺洪振，中科院苏州纳米所研究员，博士生导师；1998年本科毕业于清华大学化学系，2004年在中科院化学所取得博士学位，2004.10-2010.9间先后获得JSPS和玛丽居里奖学金支持，在日本名古屋大学和瑞典隆德大学从事研究工作，2010年加入苏州纳米所，主要研究方向为发展原位界面非线性光谱技术并将其应用于探究功能器件界面物理化学。从事科研工作以来，在Nature Comm.、 JACS、Nano lett、Nano Energy、J Phys Chem Lett、Small等一系列知名刊物上发表论文50余篇，参与编写英文专著一部；承担或参与国家自然科学基金委重点和面上项目、科技部国家重点研究计划、江苏省自然科学基金项目等多项。