近日，北京师范大学射线束与能源材料实验室廖斌教授团队在高性能无负极锂金属电池研究领域取得了重要进展，并在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》（影响因子：10.7）上发表了题为“Fabrication of a synergistic dual-functional layer-modified Cu current collector using a Co-FCVA apparatus for high-performance anode-free lithium metal batteries”的研究论文，并入选为期刊的Hot articles。

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锂金属电池（Lithium Metal Batteries, LMBs）因其高理论能量密度而受到研究者的青睐。

      无阳极锂金属电池（AFLMBs）由于省去了阳极上的预先锂化步骤，简化了组装过程，负极没有过量的活性物质，进一步提高了能量密度。然而，AFLMBs面临着锂的高活泼性和复杂的固态电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）组成导致的锂枝晶的不受控生长和容量衰减等多种不稳定性问题。利用材料表面改性技术对负极集流体进行改性处理可以十分有效提升无负极锂金属电池的循环性能。

图1 文章内容缩略图

文章通过通过Co-FCVA（Co-Filtered Cathodic Vacuum Arc）设备在商用铜集流体上引入了一层双功能修饰层，不仅优化了固体电解质界面（SEI）的组成，还显著提高了锂离子的扩散速率，从而实现了更稳定的锂金属成核和生长。通过沉积具有亲锂特性的Zn层和诱导形成富含Li3N的SEI的AlN层，实现了对锂的稳定成核和生长以及快速的Li+扩散。

图2 不同测试条件下的过电位曲线

在0.05 mA cm-2的电流密度下，Zn-AlN@Cu的成核过电位约为8 mV，显示出比裸铜（42 mV）、Zn@Cu（11 mV）和AlN@Cu（25 mV）更低的成核过电位，表明Zn-AlN@Cu具有更优的亲锂性，有利于锂的稳定成核。随着放电电流密度的增加，所有材料的成核过电位均有所增加。在5 mA cm-2的高电流密度下，Zn@Cu和AlN@Cu的成核过电位分别为119 mV和94 mV，而Zn-AlN@Cu的成核过电位增加到77 mV，仍然显著低于裸铜的245 mV。

图3 半电池循环结果

图4 对称电池循环结果

这种协同效应使得Zn-AlN@Cu展现出了优越的锂沉积剥离循环性能，Li||Cu半电池在0.5mA cm-2, 1mAh cm-2循环条件下500个循环后平均库仑效率达到99.31%，对称电池在0.5mA cm-2, 1mAh cm-2循环条件下1600小时后保持超高稳定性。

图5 全电池循环性能

即使在与LiFePO4正极匹配的全电池循环中，Zn-AlN@Cu在高正极载量和0.5C速率的测试条件下，经过100个循环后仍能保持57.93%的容量保持率。

与传统的电镀、旋涂等方法相比，FCVA技术以其环境友好性和高成本效益脱颖而出。它不仅减少了化学溶剂和气体的使用，还通过简化的制备步骤，能够与卷对卷电极生产技术良好匹配，具有商业化大规模生产的可行性。

这项技术的成功研发，不仅为无阳极锂金属电池的商业化应用铺平了道路，也为未来大型电子设备和电动汽车等领域的能源存储解决方案提供了新的可能性。随着技术的进一步优化和市场应用的拓展，这将引领一场能源存储领域的绿色革命。

本文以北京师范大学为第一完成单位，北京师范大学物理与天文学院硕士研究生祝耀辉为第一作者，北京师范大学自然科学高等研究院廖斌教授和陈琳副研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到科技委专用项目的资助支持。

       文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta04603j