大连化物所吴忠帅、中科大余彦EnSM：大面积无枝晶超薄富锂三维Li-Sn合金/石墨烯箔负极用于高性能全固态锂硫电池

第一作者：董聪、石浩东

通讯作者：吴忠帅*，余彦*

单位：中国科学院大连化学物理研究所，中国科学院大学

全固态锂硫电池（ASSLSBs）因其高理论能量密度（2600 Wh kg^-1）、丰富的硫资源、低成本和环境友好特性而受到广泛关注。然而，锂负极不可控锂枝晶的形成、界面空隙和不稳定的界面反应已成为ASSLSBs实现长期循环和满意能量密度的关键瓶颈。为了解决这些问题，人们投入了巨大努力包括探索新型固态电解质（SSEs）和功能添加剂、设计多层SSEs以及修饰负极/正极与电解质之间的界面。这些努力在一定程度上缓解了锂金属负极的某些问题，特别是在低电流密度和面容量下（通常小于2 mA cm^-2和2 mAh cm^-2）。然而，无法制造出在实际电流密度超过4 mA cm^-2和面容量超过3 mAh cm^-2的高能量密度和长期循环稳定性的ASSLSBs。锂金属合金已被广泛选为ASSLSBs的高能量密度负极材料，因为它们能够减轻锂枝晶生长并增强电池安全性。特别是，基于锡（Sn）的锂合金负极因其快速的锂离子扩散系数（范围在6.6×10^-8至5.6×10^-7 cm^-2 s^-1）和出色的电导率而受到关注。然而，与锂负极相比，合金负极显示出更高的电位平台（0.3-0.6 V vs Li⁺/Li）和较低的理论比容量。更严重的是，合金负极因无宿主锂的沉积/剥离而引起剧烈的体积膨胀/收缩，导致内部应力波动巨大和浮动界面，最终导致电池快速失效。因此，合理设计三维（3D）碳宿主以容纳锂金属合金的无限维度变化是高度可行的，因为这些3D宿主，如介孔碳、碳纳米管和石墨烯网络，能显著提高活性界面面积和降低局部电流密度，作为亲锂合金成核位点的三维连续支撑骨架。此外，通过可调的压缩过程，从而调节自支撑3D碳膜的厚度，可以轻松减少负极的厚度。

基于此，中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅、中国科学技术大学余彦团队提出了一种大面积、超薄、无枝晶的富锂3D Li-Sn合金/石墨烯框架（GF）负极，用于高性能全固态锂硫电池（ASSLSBs）。该团队通过将熔融的Li-Sn合金注入到厚度可调的还原氧化石墨烯（rGO）膜中，合成了这种3D Li-Sn合金/GF负极。这种负极具有几个显著优势：首先，它富含亲锂的Li₂₂Sn₅成核位点，确保了更强的吸附能和更低的扩散能垒碍，从而减少了锂成核过电位并均匀化了锂沉积；其次，石墨烯框架的三维结构提供了高活性比表面积和稳定的锂剥离/沉积支架，使得锂离子在沉积过程中更倾向于内部沉积，并减轻了循环过程中的体积变化，确保了负极/固态电解质（SSE）界面的稳定接触；第三，富锂的三维结构金属锂网络可以作为负极的活性锂源，有助于恢复Li-Sn合金电位至锂金属，并保证高能量密度输出；最后，通过调整锂宿主的厚度，可以轻松控制所得3D Li-Sn合金/GF负极的厚度，范围从10到50微米，打破了商业化锂箔的限制。这一策略为开发下一代高安全性和高能量密度的锂金属全固态电池提供了新的思路。相关研究成果以"Large-Area Dendrite-Free Ultrathin Li-Rich 3D Li-Sn Alloy/Graphene Foil for High-Performance All-Solid-State Lithium-Sulfur Batteries"为题发发表于《Energy Storage Materials》，第一作者是董聪、石浩东。

图1. 负极|SSE界面在电池循环期间的演变示意图。a） 负极|SSE接触不良导致锂沉积不均匀和锂枝晶生长，以及严重的固态电解质分解。b） 在 3D Li-Sn alloy/GF|SSE，合金骨架诱导锂离子沉积到负极体相中，可缓解体积膨胀并形成稳定的界面接触。

3D Li-Sn alloy/GF负极富含亲锂Li₂₂Sn₅成核位点，确保了更强的吸附能和更低的锂扩散能垒。而石墨烯框架的三维结构具有高活性比表面积和稳定的骨架，显著降低了锂成核过电位，并缓解了循环过程中的体积变化，验证了其在商业应用中的巨大潜力。

要点二：保证了厚度可调的合金基负极的高能量密度输出。

作为负极的活性锂源，富锂三维金属锂网络结构可以轻松将Li-Sn合金的电位恢复为锂金属（3282 mAh g^-1，0.03 V vs. Li/Li⁺）。此外，通过调节石墨烯膜的厚度，所获得的3D Li-Sn alloy/GF负极的厚度可以轻松实现从10到50微米的控制，突破了商业锂箔的限制。

要点三：3D Li-Sn alloy/GF负极实现了优异的全固态锂硫电池（ASSLSBs）性能。

基于S@CNTs|Li₁₀GeP₂S₁₂|Li₇P₃S₁₁|3D Li-Sn alloy/GF的ASSLSBs表现出优异的室温循环稳定性，在235个循环后容量保持率为97.8%。即使在高硫负载3.53 mg cm^-2下，也获得了高面积容量>3 mAh cm^-2，这是迄今为止报道的最好值之一。

Large-area dendrite-free ultrathin Li-rich 3D Li-Sn alloy/graphene foil for high-performance all-solid-state lithium-sulfur batteries

吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员（长聘），二维材料化学与能源应用研究组（508组）组长，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士。2018-2024年连续七年科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、中组部引进海外高层次青年人才、超级电容产业联盟青年工作委员会副主任。主要从事二维材料化学与微纳电化学能源应用的基础研究，包括石墨烯与二维材料、微型储能器件与微能源系统、超级电容器、先进电池（锂/钠/锌离子、锂金属/硫/空、固态电池）和能源催化。迄今为止，已在Nature、Nat. Commun.（5篇）、Energy Environ. Sci.（13篇）、Adv. Mater.（18篇）、Adv. Energy. Mater.（17篇）、J. Am. Chem. Soc.（8篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（6篇）、Natl. Sci. Rev.（5篇）、Energy Storage Mater.（18篇）、J. Energy Chem.（20篇）等期刊发表学术论文320余篇，被SCI引用43000余次（Google学术引用48000余次）；单篇他引超过200次的39篇，单篇他引超过1000次的12篇。申请发明专利120余项，授权28项。获国家自然科学奖二等奖（第四完成人，2017）、辽宁省自然科学奖一等奖2次（第四完成人，2017；第一完成人，2022）、第十三届辽宁青年科技奖、Nano Research新锐青年科学家奖（2020）、Energy Storage Materials青年科学家奖（2019）、中国科学院优秀导师奖（2021）、卢嘉锡优秀导师奖（2020）、中国科学院大学领雁银奖-振翅奖（2022）、中科院“百人计划”终期评估优秀（2018）等。获批国际标准1项、国家标准2项。兼任Energy Storage Materials、Applied Surface Science副主编，J. Energy Chem.执行编委，Natl Sci. Rev.编辑工作组成员, Science Bulletin、科学通报、Nanomaterials、Carbon Futures、Mater. Res. Express、Physics编委，Interdisciplinary Materials学术编辑，Chin. Chem. Lett.、eScience、Materials Futures、物理化学学报青年编委、Engineering通讯专家。

中国科学院大连化学物理研究所“二维材料化学与能源应用”研究组（508组）依托于能源催化转化全国重点实验室，主要致力于二维材料化学与高效微纳电化学能源创新体系的基础性与应用性研究。

目前合作研究课题包括：

（1）石墨烯与二维材料的可控制备化学、独特性质及应用基础性研究，如二维材料能源化学（储能、表界面催化）、传感、光电、相变等物性探索；

（2）微纳电能源化学科学基础，研发微型电化学能源材料、微器件与微系统，构建高性能、功能化微型超级电容器、微型电池及其能源收集-储能-消耗集成微系统；

（3）高效电化学能源创新系统，包括超级电容器、锂离子电池、锂硫/锂空/锂二氧化碳、全固态电池、钠/锌/铝等新型电池；

（4）能源催化（电催化、热催化、环境催化），搭建二维模型能源器件，开展工况状态下电化学催化（ORR、HER、OER、CO2RR等）、储能动态反应过程与机理的原位研究，结合理论计算揭示电化学输运性质和反应机理。

课题组主页：http://www.zswu.dicp.ac.cn/

一、应聘条件：

（1）具有化工、物理、化学、电化学、材料学等相关专业背景，熟悉常见材料制备方法、特性、催化/电化学应用、以及器件组装工艺、性能测试和分析手段；

（2）具有关键材料、电解液开发，电化学储能器件制备等研究经验者优先考虑；

（3）在国际核心期刊发表过一定数量的高质量相关研究论文优先考虑；

（4）能独立开展科研工作，对科研充满热情和冲劲，且有团队协作和吃苦耐劳精神。

研究所为在站博士后（统招统分）缴纳社会保险（五险），建立住房公积金。

博士后薪资：

年收入（税前）28万起（包括五险一金、生活补助和地方补助，生活补助和地方补助发放期2年）；

在站博士后平均年收入（税前）33.4万，最高年收入≥70万（根据2024年01月数据统计）。

※ 年收入中包括五险一金、地方补助等，地方支持政策以最新文件为准。

优秀博士后支持计划：

每年组织2-3次遴选，资助等次：10万/年、20万/年、30万/年（资助期2年）

外部支持：

1.出站博士后留辽工作奖励：30万（博士毕业学校全球排名前200）；

2.国家博新计划：20万/年（国内博士）；

3.国际博士后交流计划引进项目：20万/年（外籍、海外博士）；

4.中国科学院PIFI项目（外籍博士）：25万/年；

5.设施完备的博士后公寓，可以拎包入住。星海园区和能源学院园区（提供免费班车，单程40-50分钟）设有博士后公寓（房间户型以入住时实际情况为准）；

6.同事业编制职工同等享受用餐补助和免费健康体检。

7.表现优异者优先推荐留所工作并大力推荐申请所内优秀青年博士人才。

本招聘长期有效，有意者请与联系人邮件或电话联系，并提供较为详实的简历及相关附件证明材料；或按照大连化物所博士后申请指南申请。

联系人：吴忠帅 研究员

E-mail: wuzs@dicp.ac.cn

电话：0411-82463036