官操教授，Advanced Materials文章：体积可控的锂沉积剥离—实现稳定且高倍率无负极锂金属电池

第一作者：王宇轩

通讯作者：官操*

单位：西北工业大学柔性电子研究院

锂金属电池有望实现更高的能量密度，因为锂金属负极能带来更高的理论容量(3860 mAh g^-1)和更低的还原过电位(与标准氢电极相比为-3.04 V)。然而，较厚的锂箔(>100 μm)会带来过量的锂源，导致负电极/正电极容量比(N/P ratio)高，从而降低了能量密度。在这方面，无负极锂金属电池(AFLMB)因其低成本、高安全性和宽松的操作需求成为下一代储能设备有力竞争的替代方案。然而，AFLMB电池的可充电性受到电化学稳定性差和库仑效率(CE)低的严重限制。

基于此，来自西北工业大学柔性电子研究院的官操教授在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Shape-Controlled Reversible Li Plating-Stripping for Stable andHigh-Rate Anode-Free Lithium Metal Batteries”的文章。该工作构建了一种零体积变化的无锂负极，可以实现在高倍率条件下的稳定循环。

图1. LiPON@Cu、ZnO matrix和LiPON@ZnO matrix作为无锂负极的循环行为示意图。

制备的负极由LiPON涂层保护的3D亲锂约束性ZnO矩阵(简写为LiPON@ZnO matrix)组成。底部的ZnO matrix提供了足够的亲锂位点和充足的空腔来促进锂的内部沉积。同时，LiPON保护层促进了均匀的离子通量，提高了SEI的机械和电化学稳定性。在协同作用下，即使在空腔体积100%利用情况下，所制备的LiPON@ZnO matrix负极表现出独特的可逆锂沉积-剥离现象，且结构维持完整，有效抑制了枝晶和"死锂"的形成。

要点二：高倍率下优异的循环稳定性和高能量密度

基于该材料组装的半电池和全电池（包括改性磷酸铁锂和镍钴锰三元体系）均展现出优异的倍率性能和长循环稳定性。在37.5%空腔利用率和1.2 mA cm^-2循环条件下，组装的半电池展示出良好的循环稳定性和可逆性，可循环长达335次。特别值得注意的是，该电池体系在2C高倍率下实现了150次稳定循环，能量密度高达617 Wh kg^-1，为开发高能量密度、高安全性的无负极锂金属电池提供了新的解决方案。

DOI: 10.1002/adma.202420373

官操，西北工业大学教授，国家级青年人才项目获得者，西北工业大学柔性电子研究院院长。研究工作主要集中于柔性储能材料和器件。已发表论文120余篇，他引17000余次，H因子69，ESI高被引论文37篇，ESI热点论文10篇。获2019-2024科睿唯安高被引学者。 主要从事柔性电池和3D打印研究，包括一体化无人机电池，低温柔性电池和微型能源芯片等。围绕柔性储能电极材料的阵列化结构设计、性能优化和柔性储能器件的性能提升，研究阵列化空心结构的纳米材料、金属有机框架及其衍生物、柔性电化学储能器件（超级电容器、水系电池、金属空气电池、锂离子电池等）、电化学催化、3D打印、有限元模拟、第一性原理计算、原子层沉积技术和原位STEM等。

课题组获西北工业大学首批“翱翔青年科学家工作室”，包括教授2人，副教授3人。目前培养博士生8名，硕士生22名。课题组在柔性电极材料的设计、合成及表征等研究方向积累了丰富的理论知识和实践经验，在过去5年中发表60余篇SCI学术论文，承担国家级青年人才项目、国家重点研发计划国合重点项目、国家自然科学基金联合基金重点项目、陕西省重点研发计划等项目20余项，指导学生获国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）、国家奖学金、西北工业大学博士生/研究生创新基金、西北工业大学优秀毕业生等项目/荣誉。

每年招收具有电子、物理、材料、化学背景的硕士研究生3名，博士研究生1-2名。

课题组经费充足、实验条件完善，鼓励和支持各种形式的联合培养和交流合作，热忱欢迎具有电子、物理、材料、化学背景的本科生、硕士、博士和博士后加盟