顾佳男副教授、李岩教授、李美成教授，CEJ观点：高Zeta电位MXene石墨炔异质结加速金属锂负极界面电荷转移

第一作者：孙麓

通讯作者：顾佳男*，李岩*，李美成*

单位：北京航空航天大学，华北电力大学

锂金属负极被视为实现高能量密度锂电池的有前途的候选材料之一。然而，金属锂负极存在枝晶等问题，导致库仑效率低和严重体积膨胀。基于Sand模型，锂枝晶的形成涉及两个阶段：成核和生长。这些阶段受电极的局部电流密度、锂离子和电子的传输速率以及锂离子通量初始浓度梯度的影响。为防止锂枝晶的形成并促进均匀的锂沉积，采用调整电极的结构、调节固体电解质界面（SEI）膜的成分以及控制锂金属的成核等策略。Sand模型表明，锂离子和电子的电荷转移在锂成核中起着至关重要的作用。因此，加速界面电荷转移可以是获得均匀锂成核和生长的一种方法。

近日，北京航空航天大学李岩教授团队联合华北电力大学李美成教授、顾佳男副教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“High-Zeta-Potential Accelerates Interface Charge Transfer in Lithium Anodes via MXene-Graphdiyne Heterojunction Layers”的观点文章。该观点文章提出采用静电自组装方法制备高Zeta电位的Ti₃C₂T_x-graphdiyne异质结（MXene-graphdiyne）材料，以加速锂沉积过程中的界面电荷转移。

基于Sand模型，锂枝晶的形成涉及两个主要阶段：成核和生长。这些阶段受电极的局部电流密度、锂离子和电子的传输以及锂离子通量的初始浓度梯度的影响。为防止锂枝晶的形成并促进均匀的锂沉积，采用了几种策略。这些策略包括调整电极的结构、调节固体电解质界面（SEI）膜的成分以及控制锂金属的成核。例如，使用三维电极结构能够有效降低局部电流密度，并提高锂电镀/剥离容量。此外，应用原位或外场下的人工SEI膜已被证明能促进锂离子和电子的快速传输，实现高速率性能。

三维载体和人工SEI膜是调控锂的生长阶段的有效策略，但往往忽视了锂成核阶段的重要性。相反，控制锂的初始沉积阶段可以获得均匀的成核，并导致可控的锂生长。例如，利用亲锂性（如亲锂性位点、金属溶液和化学键合）的方法已被证明能显著降低锂成核的能垒，并促进均匀的锂成核。Sand模型表明，Li⁺离子和电子的电荷转移在锂成核中起着至关重要的作用。因此，加速界面电荷转移可以是获得均匀锂成核和生长的另一种方法。

采用静电自组装方法制备Ti₃C₂T_x-graphdiyne异质结（MXene-graphdiyne）材料，以加速锂沉积过程中的界面电荷转移。MXene-graphdiyne异质结具有高Zeta电势（-90 mV），通过克服扩散受限电流，促进了锂在其表面上的快速和均匀成核。此外，COMSOL Multiphysics模拟表明，MXene-graphdiyne异质结的高Zeta电势可以大幅减小锂离子浓度梯度，均匀化电场。密度泛函理论（DFT）计算还证明，锂原子在MXene-graphdiyne异质结构上的吸附能为3.4 eV。因此，在0.05 mA cm⁻²条件下，MXene-graphdiyne展示了低过电势（12.4 mV）。此外，MXene-graphdiyne-Li负极在对称电池中展示了长达1400小时的超长循环寿命和高达8 mA cm⁻²的倍率性能。当与LiFeO₄正极组合时，由MXene-graphdiyne-Li负极组成的全电池在5 C条件下循环300次，表现出稳定的循环性能。

High-zeta-potential accelerates interface charge transfer in lithium anodes via MXene-graphdiyne heterojunction layers”

顾佳男，博士，华北电力大学副教授。2020年6月获北京航空航天大学材料学博士学位（导师：杨树斌 教授），同年进入北航物理学院从事博士后研究工作，2022年7月进入华北电力大学能源电力创新研究院从事科研教学工作。主持国家自然科学基金青年基金，第68批中国博士后科学基金面上项目，华北电力大学“双一流”人才引进项目，并入选第5批博士后创新人才支持计划。近年来在国际著名期刊Adv. Mater.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Small等发表SCI论文20余篇。研究方向为新型超薄二维材料（MXenes）的可控制备及其电化学储能研究（锂、钠离子电池电极材料、锂金属负极、锌金属负极等）。

李岩，博士，北京航空航天大学教授、博导。教育部新世纪优秀人才，北京市科技新星。主要研究方向为生物医用金属材料和新型医疗器械设计与研发。主持国家重点研发计划1 项，主持国家自然科学基金面上（青年）项目7 项，其他科研项目20 余项，发表SCI 收录论文130余篇，获国家发明专利授权20 余项，制定生物医用材料团体标准2 项，获2016 年度国家科技进步二等奖和2005 年度教育部自然科学一等奖。担任科技部项目评审专家、国家自然科学基金评审专家、中国生物材料学会医用金属材料分会常务委员、中国腐蚀与防护学会医用金属腐蚀控制分会副主任委员等社会兼职。

李美成，博士，华北电力大学教授、博导。教育部**特聘教授、国家**科技创新领军人才，教育部教指委委员，教育部科技委委员、享受国务院政府特殊津贴。新能源学院院长，国家重大科技基础设施办公室常务副主任，新能源材料与器件技术研究中心主任，国家一流专业“双万专业”负责人。曾于2004-2006年期间在英国剑桥大学进行访问研究。入选教育部“新世纪优秀人才”、北京市“百名科技领军”人才、科技部创新人才推进计划“科技创新人才”。主要从事新能源与储能工程的教学科研工作。先后主持国家自然科学基金重大研究计划、国家863、国家科技支撑计划、教育部博士点基金、联合基金等科研项目。

在Nature Energy、Advanced Materials等国内外学术期刊发表论文200余篇，多篇文章先后入选ESI前1%高被引论文或热点论文。获美国和中国专利授权54项；中英文编著8本。以第一完成人获黑龙江省自然科学一等奖、北京市科技奖等省部级科技奖5项，其中2019年获“电力科技创新奖”大奖。担任国家科技奖会评专家、 科技部重点研发计划会评专家， 以及IEEE PES储能材料与器件分委会主席、中国可再生能源学会青年工作委员会副主任、中国能源学会常务理事、中国仪表材料学会常务理事等，作为中组部、科技部、教育部、基金委、能源局等评审专家。IET      Renewable      Power     Generation、Carbon Energy等多个国内外期刊编委。

孙麓，博士，中国科学院过程工程研究所助理研究员。2020年博士毕业于北京航空航天大学（导师：李岩 教授），同年6月进入北航物理学院从事博士后研究工作（合作导师：吕广宏 教授），并于2023年6月加入过程所担任助理研究员，在Chemical Engineering Journal 、Carbon 、Corrosion Science等国际期刊发表SCI论文。研究方向为多孔碳材料/二维异质结材料（MXene、石墨炔）可控制备及其电化学和光热性能研究。

李美成教授团队：华北电力大学新能源材料与器件实验室依托“新能源电力系统”国家重点实验室和"清洁能源学"北京市重点学科，重点围绕新能源技术的创新源头——“新能源材料与器件”开展理论技术创新和应用技术开发，研究与开发新型太阳能电池等能量转换器件、锂/钠离子电池等能量存储器件，以及光纤传感器等未来能源互联网和综合能源系统所需新型电力、信息元器件等传感器件。现有近千平米实验室，包括恒温恒湿超净间，以及先进的实验仪器设备百余台/套，现代化的科研环境为高水平的科技创新提供了保障条件。欢迎有志于新能源技术创新研究及应用开发的同学报考本课题组！

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