南昌大学赵勇教授、北师大吴杰副教授、陈琳副教授等CEJ观点：集流体亲锂双金属界面改性实现锂金属电池超长循环稳定性

第一作者：周汕宇

通讯作者：赵勇*，吴杰*，陈琳*，陈淑年*

单位：南昌大学，北京师范大学，北京放射医学研究所

锂离子电池（LIBs）的能量密度已接近其理论极限（约260 Wh kg^-1），难以满足电动汽车、无人机等应用对高能量存储的日益增长需求。因此，锂金属负极因其超高理论容量（3860 mAh g^-1）和低电化学电位（-3.04 V vs. SHE）被视为下一代高能量密度电池的理想选择。其中，无负极锂金属电池（AFLMBs）在充电时直接在铜集流体上沉积锂金属，不仅进一步提高了能量密度，还大幅降低了电池制造成本。然而，该类电池仍面临两大关键挑战：一方面，锂枝晶的生长容易导致容量衰减、内部短路甚至热失控；另一方面，不稳定的固态电解质界面（SEI）会引起界面阻抗增大和循环寿命缩短。此外，铜集流体本身的亲锂性较差，容易造成锂的不均匀沉积，从而加剧枝晶问题，限制了AFLMBs的实际应用。本研究利用磁控溅射技术在铜箔上制备了具有良好亲锂性能的Sn-Al双金属薄膜，该技术实现了均匀的薄膜沉积，同时薄膜改性层增强了锂电镀/剥离动力学并促进了稳定的SEI形成。本工作创新性地提出了一种基于物理方法的界面改性策略，在铜集流体上设计亲锂双金属薄膜，用于无负极锂金属电池架构，具备良好的产业化潜力。

近日，来自南昌大学的赵勇教授与北京师范大学的吴杰副教授、陈琳副教授以及北京放射医学研究所的陈淑年副研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Anode-free lithium metal batteries with enhanced durability: magnetron-sputtered lithiophilic bimetallic coatings on Cu current collectors”的观点文章。该观点采用磁控溅射技术在铜集流体上制备了Sn-Al双金属薄膜，该薄膜具有优异的亲锂性和较高的吸附能，大幅降低了锂成核势垒，显著改善了锂的沉积行为，实现均匀的锂核形成和生长，抑制了锂枝晶生长，并促进了稳定SEI的形成。这种富含Li₃N和Li₂CO₃的稳定SEI膜有效提高了电池循环性能，在电流密度为1 mA cm^-2的条件下，经过800次循环后，Sn-Al薄膜半电池的平均库仑效率达到98.3%。

磁控溅射系统沉积的改性Cu集流体具有增强的稳定性、均匀性和亲锂性。在这项工作中，采用磁控溅射技术在金属铜衬底上沉积了Sn-Al复合薄膜。在外加电压下，加速电子与氩气发生碰撞电离，生成氩离子和二次电子。这些高能粒子随后轰击Sn/Al靶，溅射出大量靶原子，均匀覆盖在Cu衬底上，在旋转基体下形成均匀沉积层。在镀锂过程中，Li与Sn/Al组分之间发生自发合金化反应，生成LixSn合金（x= 1,2,2.33，…）和LiAl合金。更重要的是，该修饰层有效调节了锂离子通量分布，从而促进了表面均匀的锂成核，并抑制枝晶的产生。

实验结果表明，当电流密度为1 mA cm^-2时，经过800次循环后Sn-Al薄膜半电池的平均库仑效率达到98.3%。过电势测试表明Sn-Al薄膜可以降低锂的成核势垒，提升亲锂性。基于Sn-Al薄膜的对称电池表现出优异的循环能力，在1 mA cm^-2电流密度下实现了3200 h稳定循环，最小电压滞后为17.4 mV。

相比于传统的铜集流体，SnAl 60W@Cu由于较好的亲锂性和低的成核过电位，能实现致密、均匀的锂沉积形貌，在20次循环后，SnAl 60W改性后的表面“死锂”厚度显著低于其他样品。这种低厚度凸显了SnAl复合薄膜调节锂沉积行为的特殊能力，有效地抑制了锂的不均匀生长，减轻了非活性锂的积累。

以质量负载为5.025 mg cm^-2的LiFePO₄（LFP）为正极，组装了Li-SnAl@Cu||LFP电池，在改性集流体上预沉积8 mAh cm^-2的锂，经100次循环后，SnAl 60W@Cu全电池保持其初始容量的89.53%。

“Anode-free lithium metal batteries with enhanced durability: magnetron-sputtered lithiophilic bimetallic coatings on Cu current collectors”

吴杰副教授简介：理学博士，北京师范大学文理学院副教授，博士生导师。主要从事等离子体物理与材料表面改性领域的研究工作，主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目10余项，以第一或通讯作者在Small、ACS Appl. Mater Interfaces、J Power Sources、Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文30余篇，以第一发明人授权国家发明专利6项。

周汕宇简介：周汕宇，男，南昌大学物理与材料学院硕士研究生。2022年6月，毕业于南昌航空大学材料成型及控制工程专业，获学士学位；2023年9月至今，南昌大学材料工程专业硕士生。