近日，我校能源与汽车工程学院联合湘潭大学在国际知名期刊《Small》（影响因子13.0，JCR Q1 TOP期刊）发表了题为《In Situ Inorganic/Organic Protective Layer on Carbon Paper as Advanced Current Collector for Robust Li Metal Anode》的研究论文。我校为论文的第一单位，我校李友朋副教授（博士）为论文的第一作者，学生黎晓琳参与该项研究工作。该成果得到了国家自然科学基金，广东省自然科学基金和广东省教育厅专项的支持。
锂（Li）金属被认为是最有前途的下一代高能量密度电池的负极。然而，在循环过程中，不受控制的锂枝晶生长和无限体积膨胀严重阻碍了锂金属电池（LMBs）的应用。在这项工作中，作者针对三维碳纸（3D CP）亲锂性差以及3D CP空隙中Li不均匀沉积导致不稳定SEI层的断裂/再生，加速了电极/电解质界面副反应和循环寿命短的问题，采用热浸法在CP表面设计了由硝酸铋（Bi(NO3)3）和聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）原位形成的无机/有机保护层（简称BPH）。一方面，亲锂Bi(NO3)3不仅提高了CP对Li的亲和性，而且在循环过程中转化为氧化锂（Li2O）、锂铋合金（Li3Bi）和含氮物质（Li3N，LiNxOy），提高了SEI层的机械强度和离子电导率。另一方面，原位转化的无机物镶嵌在PVDF-HFP中，可以有效地提高其对锂的化学稳定性，并适应长期循环过程中的界面波动，实现稳定的锂沉积/剥离行为。结果表明，BPH-CP在400次循环后其出库仑效率（CE）仍有99.7%。此外，使用BPH-CP@Li负极的LiFePO4电池在5 C高倍率下能够稳定循环超过3000次。更重要的是，即使匹配高载量LiFePO4（LFP，20 mg cm−2）或LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM，16 mg cm−2）正极，也能稳定循环在100或150次，容量保持率分别为86.5%或82.0%。
该研究工作不仅为高比能锂金属负极的研发提供了解决方案，显著提高电池能量密度和安全性，更为下一代高续航电动汽车、便携式电子设备及可再生能源存储系统的商业化突破奠定了关键技术基础。
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供稿：李友朋
审核：吴治将
