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锂金属由于容量高、电势低被认为是最有前景的下一代储能体系的电极。然而，锂金属电池的实际应用仍然面临严峻的挑战，如锂离子溶剂化后的不可控沉积导致锂枝晶生长，体积膨胀致使SEI的反复破裂和修复会不断消耗电解液，使电池的循环寿命缩短甚至出现严重的安全问题。基于此，中科院苏州纳米所蔺洪振研究员联合西安理工大学游才印团队张静博士与德国亥姆赫兹电化学研究所王健博士（现为洪堡学者），在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Tuning 4f-center Electron Structure by Schottky Defects for Catalyzing Li Diffusion to Achieve Long-term Dendrite-free Lithium Metal Battery”的研究工作。从表界面功能化角度出发，采用肖脱基缺陷调控氧化铈的4f中心电子结构（SDMECO@HINC），产生大量活性位点提升其催化活性，从而优化Li去溶剂化和Li扩散沉积，获得了平滑锂镀层，制备出无枝晶长寿命的锂金属电池。
背景介绍
储能技术能够改善人们的生活方式，促进便携式智能电子产品到新兴的电动汽车行业的快速发展。金属锂基电池因其高比容量（3860 mA h g-1）和较低的标准电压（-3.04 V vs.SHE）而备受关注，然而，锂枝晶的不可控生长和固体电解质界面相（SEI）层容易破裂并持续消耗电解液等问题仍然限制了其广泛应用。研究团队在前期研究中发现，构筑有序结构的SEI人工层能够有效抑制枝晶的生长（Chem. Eng. J. 2022, 446, 137291; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434；Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; ACS Appl. Mater. Interface 2019, 11, 30500），通过催化剂/活化剂可以降低锂离子/原子扩散势垒有助于提高锂动力学行为及加快多硫化物的转化，能获得长的锂电池循环寿命（Chem. Eng. J. 2022, 429, 132352 ;Nano Lett. 2021, 21, 3245；Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater.2020, 28, 375；ChemSusChem 2020, 13, 3404；J. Mater. Chem. A 2020, 8, 22240），另外，利用缺陷工程是实现催化剂内部电子再分配、产生本征活性位点或协同位点提升催化活性的有效方法（Adv. Energy Sustainability Res. 2022, 2100187; Chem. Eng. J. 2020, 417, 128172; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy. Environ. Mater. 2021, DOI: 10.1002/eem2.12250）。基于此，通过缺陷工程调节催化剂的本征电子密度，有望提供更多的活性位点来提高其催化活性，降低锂离子/原子的成核和扩散势垒以调节锂的动力学行为。
要点赏析
要点一：利用缺陷重构催化剂的4f中心电子结构，提升催化活性。
图文解析
图1 理论模拟肖脱基缺陷调控氧化铈电子结构及其与锂原子的作用关系
图2 DMECO@HINC复合体系的合成、形貌特征及4f电子重构过程
图3 4f电子重构的SDMECO@HINC对锂金属电极的电化学稳定性和寿命的促进作用
图4 SDMECO@HINC对锂金属电极中锂离子动力学的调控机理解析
总结与展望
本文提出一种利用肖脱基缺陷重构催化剂的4f中心电子结构的策略来调节锂的扩散行为以抑制枝晶的形成，当电子密度受肖脱基缺陷激发重新分布后，形成了丰富的具有较强离子扩散能力的活性催化中心，催化Li离子传输动力学以引导锂的水平沉积，从而抑制枝晶生长。SDMECO@HINC电子调控层显著降低了Li电极的去溶剂化、形核和扩散能垒，延长无枝晶Li电极的镀锂寿命至1200 h并提高了库仑效率。与硫正极匹配的全电池获得高倍率容量（653 mA h g-1，5 C）和高容量保持率（81.4%，3 C），并实现了高能量密度（2264 W h kg-1）软包电池的初步应用。这项工作提供了一种通过调节催化剂的本征电子结构提升催化活性获得长寿命锂电极的新策略。
作者简介
张静 博士，西安理工大学青年教师，2022年获陕西省自然科学基础研究计划（青年项目）资助。研究方向为高性能锂金属电池电极表面界面结构设计、制备和表征。目前，以第一/通讯作者在Nano. Lett.、Adv. Sci.、J. Mater. Chem. A、Energy Environment. Mater. 和Chem. Eng. J.等国际知名期刊上发表论文11篇（其中IF>10，共8篇）授权国家发明专利1项。
E-mail: zhangjing2020@xaut.edu.cn
E-mail: caiyinyou@xaut.edu.cn
E-mail: hzlin2010@sinano.ac.cn
E-mail:jian.wang@kit.edu、wangjian2014@sinano.ac.cn
文献来源
Jing Zhang, Rong He, Quan Zhuang, Xinjun Ma, Caiyin You, Qianqian Hao, Linge Li, Shuang Cheng, Li Lei, Bo Deng, Xifei Li, Hongzhen Lin, and Jian Wang, Tuning 4f-center Electron Structure by Schottky Defects for Catalyzing Li Diffusion to Achieve Long-term Dendrite-free Lithium Metal Battery, Adv. Sci. 2022, 20210468. DOI: 10.1002/advs.202202244
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202202244
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