王健/肖清波/蔺洪振，Nano Letters：护锂英雄有孤胆，空缺之处是我家（SAC-in-defect）- 大数跨境

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王健/肖清波/蔺洪振，Nano Letters：护锂英雄有孤胆，空缺之处是我家（SAC-in-defect）

科学材料站

2021-03-21

导读：本文首次提出利用缺陷位点的方式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

文章信息

第一作者：王健博士& 张静博士

通讯作者：王健，肖清波，蔺洪振

通讯单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏省农业科学院

研究背景

锂金属电池因其比容量高（3860 mA h g-1）和标准电压低而备受关注，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着锂离子动力学不可控的问题，如锂离子的沉积和溶解行为不可控，固体电解质界面的反复生成和变形，体积膨胀等，它会引起严重的锂枝晶问题，缩短锂金属的循环寿命。

常规的解决方法主要有：加入电解液添加剂形成稳定固态电解质中间相(SEI)、引入合金元素形成合金表面修饰层或锂合金电极，以及采用亲锂的多孔集流体等。但这些方法仍存在保护层致密性差、柔性低等问题，只能部分缓解锂枝晶的形成，另外，高比重的合金元素还会降低储能材料的能量密度。

我们在前期的研究中发现，缺陷基和金属单原子催化剂都能够提供丰富的催化位点来加速锂离子电极的动力学行为（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SAC-NC的制备方法，仍缺乏发展简单有效锚定和稳定稿高浓度的SACs方法。

文章简介

针对上述问题，中科院苏州纳米所的王健博士、蔺洪振研究员与江苏省农业科学院的肖清波研究员合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Long-Life Dendrite-Free Lithium Metal Electrode Achieved by Constructing a Single Metal Atom Anchored in a Diffusion Modulator Layer”的研究工作。

首次提出利用缺陷位点的方式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（SACo/ADFS@HPSC），实现对锂离子动力学的催化，丰富的SACo活性位点可引导锂以较低的能垒均匀成核，并加快在水平方向的锂沉积动力学，促进锂金属表面的无枝晶化过程。

本文要点

要点一：提出利用载体缺陷来锚定金属单原子的方法，稳定高浓度单原子。

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（SACo/ADFS@HPSC）的合成示意图和形貌特征

图2 SACo/ADFS@HPSC复合体系中活性单原子的谱学特征

要点二：利用金属单原子调控锂离子动力学，实现均匀沉积金属锂

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

要点三：匹配硫正极的锂硫全电池展现出优异的循环和倍率性能

与常规的SAC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 以SACo/ADFS@HPSC调控的锂金属作负极的锂硫全电池电化学性能测试

文章链接

Jian Wang, Jing Zhang， Shuang Cheng, Jin Yang, Yonglan Xi, Xingang Hou, Qingbo Xiao, Hongzhen Lin，Long-Life Dendrite-Free Lithium Metal Electrode Achieved by Constructing a Single Metal Atom Anchored in a Diffusion Modulator Layer 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00534

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00534?

通讯作者介绍

王健博士。

毕业于中国科学技术大学，获得德国Alexander von Humboldt Foundation资助，研究方向为高催化活性高性能电极设计与合成，并用原位表征手段探索电池的相关工作机制。特别是缺陷催化剂与金属单原子催化剂在锂金属电池中的运用。到目前为止，在Nat. Commun., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, J. Mater. Chem. A, Chem. Engi. J. , Energy Environm. Mater.等国际高水平期刊发表论文35篇，以第一作者或通讯作者身份发表15篇其中IF>10的论文有8篇，申请了11项国家发明专利，连续两次在国际会议ChinaNano 2017和ChinaNano 2019作了相关锂金属电池研究进展口头报告。

E-mail: wangjian2014@sinano.ac.cn。

肖清波博士江苏省农业科学院副研究员，院学科带头人。

2011年于中科院福建物质结构研究所获得博士学位，同年工作于中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，2019年加入江苏省农业科学院。主要从事农业新能源材料研究，包括农业太阳能光热材料、能源存储与释放材料的开发与应用等。目前，在Nano. Lett., J. Mater. Chem. A, Chem. Engi. J., Small, Adv. Funct. Mater. 等刊物发表SCI论文30余篇；申请发明专利10余项，授权4项；作为项目负责人承担国家自然科学基金面上项目，江苏省自然科学基金等研究课题7项。

蔺洪振研究员，现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生导师、课题组长。

研究方向为原位界面和频振动光谱技术的开发与运用、高能量二次电池的电极设计与制备、石墨烯材料的相关运用。着重发展了原位和频振动光谱技术，搭建仪器设备和拓展其原位（工况）表征功能的相关光谱技术，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。在Nat. Commun.、Angew.Chem. Int. Ed.、Nano Energy、J. Phys. Chem. Lett.、Small、ACS Nano、Nanoscale等物理化学及纳米研究领域国际重要期刊上发表学术论文近50篇。

课题组介绍

自组建课题组以来，着重发展了和频振动光谱技术，搭建仪器设备并拓展其原位（工况）表征功能的相关光谱技术，并在取得了一系列突破性进展，使这一界面分子光谱技术在纳米储能、有机电子、智能材料与器件等领域发挥了其他表征手段所不具有的独特优势，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。

课题组的主要研究方向：

1. 原位界面和频振动光谱技术的开发与运用

2. 高能量二次电池的电极设计与制备

3. 石墨烯材料的相关运用

详情参考课题组网站www.hzlin.cn。

课题组招聘

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