超400 Wh/kg锂金属电池！

华南师范大学兰亚乾、华中科技大学黄云辉团队：新型材料助力锂金属电池性能突破，开启高能量密度新时代

在全球能源转型的大背景下，储能技术的发展成为了推动可再生能源广泛应用、实现能源可持续性的关键因素。锂金属电池（LMBs）因其锂金属阳极所具备的高理论比容量（3860 mAh g−1）和低氧化还原电位（3.04 V vs 标准氢电极），在众多储能技术中脱颖而出，被视为满足高能量密度储能设备需求的理想之选，尤其在与高电压（如 LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂，NCM811）和 / 或高容量（如 S 和 O₂）阴极材料搭配时，展现出了巨大的潜力，有望为电动汽车、便携式电子设备等领域带来革命性的变革。

一、锂金属电池面临的挑战

然而，锂金属电池在迈向商业化的道路上并非一帆风顺。长期以来，其面临着诸多棘手的问题，其中快速的容量衰减和潜在的安全风险犹如两道难以逾越的鸿沟，严重制约了锂金属电池的进一步发展。深入研究发现，这些问题的根源主要在于固体电解质界面（SEI）的稳定性欠佳，以及锂枝晶在电池充放电过程中的肆意生长和粉化现象。SEI 膜作为锂金属电池中电极与电解液之间的关键界面层，其稳定性直接影响着电池的性能和循环寿命。不稳定的 SEI 膜容易在电池充放电过程中发生破裂和重构，导致电解液与锂金属阳极持续发生副反应，进而造成锂金属的不断损耗和 SEI 膜的持续增厚，最终致使电池的容量快速衰减。

锂枝晶的生长则是锂金属电池的另一个 “心腹大患”。在电池充放电过程中，锂金属阳极表面不均匀的锂离子沉积会引发锂枝晶的形成。这些锂枝晶犹如尖锐的 “刺”，不仅会刺穿 SEI 膜，破坏其完整性，使电解液与锂金属阳极之间的副反应加剧，还可能刺穿隔膜，导致电池内部短路，引发严重的安全事故，如起火、爆炸等。此外，锂枝晶的生长还会造成电池内阻的增加，进一步降低电池的性能。因此，如何有效地解决 SEI 膜稳定性和锂枝晶生长问题，成为了锂金属电池研究领域亟待攻克的关键难题。

二、研究策略与创新点

（一）材料创新：二维共轭酞菁框架（CoSAs - CPF）的开发

为了突破这些瓶颈，华南师范大学兰亚乾教授、华中科技大学黄云辉教授带领的科研团队独辟蹊径，通过一种创新的无热解合成路线，成功开发出一种含单钴原子的二维共轭酞菁框架（CoSAs - CPF）材料。这种材料的独特之处在于，金属单原子在超薄二维结构中得到了有效稳定，这不仅保证了更高的原子利用率，还为锂离子提供了更高效的电荷传输路径。与传统的材料相比，CoSAs - CPF 具有一系列卓越的性能优势。其高度有机成分组成赋予了它与电解液出色的化学兼容性和润湿性，使得锂离子在电池内部能够更加顺畅地传输；卓越的柔韧性和高弹性使其能够在电池充放电过程中有效缓冲体积变化，从而保证了 SEI 膜的机械稳定性；丰富的功能配位中心可均匀提供具有催化活性的钴金属位点，这些位点与氰基（-CN）的强电子吸引特性协同作用，能够促进大量电荷转移到 CPF 骨架上，进而极大地增强了对 Li⁺的吸附能力，并有效地调节 Li⁺的分布，为实现无枝晶的锂金属电池提供了可能。

（二）性能优势：多方面超越传统材料

原子利用率与电荷传输
CoSAs - CPF 中金属单原子的有效稳定极大地提高了原子利用率，意味着在相同质量或体积的材料中，能够参与电荷传输和化学反应的有效原子数量显著增加。这使得材料在锂离子电池中的电化学活性更高，能够更有效地促进锂离子的传输和存储，从而提升电池的整体性能。例如，在传统材料中，部分金属原子可能由于团聚或与其他成分的不良相互作用而无法充分发挥其电化学性能，而 CoSAs - CPF 通过特殊的结构设计避免了这种情况的发生，为锂离子提供了畅通无阻的电荷传输 “高速公路”。
化学兼容性与润湿性
良好的化学兼容性确保了 CoSAs - CPF 在电解液中能够稳定存在，不会发生化学反应或溶解，从而保证了电池体系的长期稳定性。优异的润湿性则使电解液能够更好地浸润电极材料，降低了锂离子传输的阻力，提高了电池的充放电效率。这就好比在一个顺畅的交通系统中，车辆（锂离子）能够在道路（电极材料和电解液）上快速行驶，减少了拥堵（阻力），提高了交通流量（充放电效率）。
柔韧性与机械稳定性
在电池充放电过程中，电极材料会经历体积的膨胀和收缩，这对材料的机械性能提出了很高的要求。CoSAs - CPF 的柔韧性和高弹性使其能够像弹簧一样，在电极体积变化时有效地缓冲应力，防止材料破裂或损坏，从而保证了 SEI 膜的完整性和稳定性。这一特性对于维持电池的长期循环性能至关重要，就如同为电池穿上了一层具有弹性的 “铠甲”，使其在复杂的工作环境中依然能够保持稳定的性能。

三、实验验证与性能提升

（一）理论计算为基础

研究团队在深入探索 CoSAs - CPF 材料性能的过程中，充分运用了理论计算这一有力工具。通过先进的电荷分解分析（CDA）和密度泛函理论（DFT）计算，详细研究了锂离子在 CoSAs - CPF 表面的吸附和迁移行为。计算结果表明，CoSAs - CPF 中的钴金属位点对锂离子具有较强的吸附能，这为锂离子在材料表面的稳定吸附提供了有力保障。同时，迁移能垒的计算结果显示，锂离子在 CoSAs - CPF 表面的迁移相对容易，这意味着在电池充放电过程中，锂离子能够快速地在电极材料中穿梭，从而提高了电池的充放电速率和效率。这些理论计算结果为后续的实验研究提供了重要的指导方向，使得研究团队能够有针对性地开展实验工作，进一步验证和优化材料的性能。

（二）结构表征显特性

为全面揭示 CoSAs - CPF 的微观结构和化学组成，研究团队采用了多种先进的表征技术。傅里叶变换红外光谱（FT - IR）和 ¹³C 固态核磁共振（NMR）技术清晰地证实了材料中特定大环结构的成功构建，这一结构为材料的优异性能奠定了基础。X 射线光电子能谱（XPS）和基于同步辐射的 X 射线吸收近边结构（XANES）光谱技术则深入到原子层面，精确解析了钴原子的价态、配位状态和键合构型。研究发现，CoSAs - CPF 中的钴原子以单原子形式存在，并与氮原子形成了独特的 Co - Nₓ配位环境，这种配位结构有助于增强材料的电子传导性能和对锂离子的吸附能力。原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等微观形貌表征技术进一步展示了 CoSAs - CPF 的二维片状形态，其厚度约为 3.5 - 8 nm，相当于 10 - 18 个原子层，且金属钴原子在材料中均匀分布，无明显团聚现象。这些结构特征共同赋予了 CoSAs - CPF 优异的性能，使其成为一种极具潜力的锂金属电池材料。

（三）电化学性能大提升

对称电池测试表现优异
在 Li||Li 对称电池测试中，CoSAs - CPF 修饰的 Li 阳极（CoSAs - CPF@Li）展现出了令人惊叹的电化学稳定性。在 1.0 mA cm⁻² 的电流密度和 1.0 mAh cm⁻² 的面积容量条件下，该对称电池能够稳定循环超过 3500 小时，且电压波动极小，仅约为 40 mV。这一卓越的性能表明，CoSAs - CPF 人工 SEI 膜有效地抑制了锂枝晶的生长，为锂离子的均匀沉积提供了理想的界面环境，确保了电池在长时间充放电过程中的稳定运行。进一步的倍率性能测试显示，CoSAs - CPF@Li 对称电池在不同电流密度下（0.5 - 10 mA cm⁻²）均表现出出色的性能，其电压极化明显小于未修饰的 Li 对称电池。这意味着 CoSAs - CPF@Li 在高电流充放电时能够更加高效地工作，快速响应电池的充放电需求，为锂金属电池在实际应用中实现快速充电和高功率输出提供了有力支持。
全电池测试成绩卓越

高负载 LFP 正极性能突出：在全电池测试中，采用高负载 LFP 正极（20 mg cm⁻² 和 30 mg cm⁻²）的 LFP||CoSAs - CPF@Li 电池表现出了令人瞩目的电化学性能。当 LFP 负载为 20 mg cm⁻² 时，电池在 1C 倍率下的放电容量高达 144 mAh g⁻¹，库伦效率达到 99%，并且在经过超长寿命的 1000 次循环后，容量保持率仍高达 98.6%。这一优异成绩在同类研究中名列前茅，充分展示了 CoSAs - CPF 人工 SEI 膜在稳定电极界面、抑制锂枝晶生长以及提高电池循环寿命方面的卓越能力。即使在更高的 LFP 负载（30 mg cm⁻²）下，电池在循环 533 次后仅出现轻微的容量衰减趋势，重新组装电池后仍能稳定循环 850 次。这一结果进一步证明了 CoSAs - CPF 人工 SEI 膜在高负载条件下的出色性能，为高能量密度锂金属电池的实际应用提供了重要的技术支撑。
高能量密度 NCM811 正极表现优异：对于高能量密度的 NCM811 正极体系，NCM811||CoSAs - CPF@Li 电池同样表现非凡。当 NCM811 负载为 10 mg cm⁻² 时，电池在 1C 倍率下的初始容量高达 166 mAh g⁻¹，经过长达 800 次的循环后，容量保持率仍能达到 80%，库伦效率接近 99.4%。这一性能不仅显著优于未修饰的锂金属电池，而且在众多已报道的 NCM811 基阴极修饰锂阳极电池中也脱颖而出。当 NCM811 负载提高到 20 mg cm⁻² 时，电池在 1C 倍率下循环 450 次后，容量保持率依然高达 85.6%，展现出了良好的循环稳定性和高能量密度特性。这些优异的性能使得该电池体系在电动汽车、便携式电子设备等领域具有广阔的应用前景，有望为这些领域的发展带来新的突破。

软包电池测试成果显著
在软包电池测试中，NCM811||CoSAs - CPF@Li 软包电池（NCM811 负载为 20 mg cm⁻²）表现出了高能量密度和出色的循环稳定性。在 0.1C 倍率下，其放电容量高达 210 mAh g⁻¹（4.2 mAh cm⁻²），0.5C 倍率下首次放电容量为 190 mAh g⁻¹（198 mAh g⁻¹），经过 140 次循环后，容量保持率为 85.4%。这一性能表明 CoSAs - CPF 人工 SEI 膜在软包电池中同样能够有效地稳定电极界面，抑制锂枝晶生长，从而保证电池的高能量密度和长循环寿命。此外，研究团队还成功组装了高容量（1.67 Ah）的多层软包电池，在更为苛刻的测试条件下（电解质 / 容量比为 2.5 g Ah⁻¹，总 NCM811 负载为 7.5 g），该软包电池在 0.1C 倍率下首次充电容量高达 1.67 Ah，初始库伦效率为 92.9%。经过 0.3C 倍率下 130 次循环后，放电容量仍能保持在 166 mAh g⁻¹，容量保持率为 86.5%。这一成果进一步验证了 CoSAs - CPF 修饰的锂金属阳极在延长软包电池循环寿命方面的关键作用，为高能量密度锂金属软包电池的实际应用提供了有力的技术支撑，推动了锂金属软包电池向商业化迈进的步伐。

（四）界面稳定性研究新方法

为深入了解电池在循环过程中的界面稳定性，研究团队采用了原位超声成像技术这一创新手段。通过对 NCM811||CoSAs - CPF@Li、NCM811||NiSAs - CPF@Li 和 NCM811||bare - Li 软包电池在循环过程中的超声信号监测，直观地揭示了不同电池体系中电极界面的变化情况。实验结果表明，NCM811||CoSAs - CPF@Li 软包电池在循环过程中，其电极界面能够保持良好的稳定性，超声信号变化较小。相比之下，NCM811||bare - Li 和 NCM811||NiSAs - CPF@Li 软包电池在循环后界面出现明显的不均匀现象，锂枝晶生长和粉化严重，导致超声信号发生显著变化。通过对超声信号的定量分析，发现 NCM811||CoSAs - CPF@Li 软包电池的超声信号平均峰峰值（PPV）仅为 0.14 V，远低于 NCM811||bare - Li（1.40 V）和 NCM811||NiSAs - CPF@Li（0.77 V）。这一结果清晰地证明了 CoSAs - CPF 人工 SEI 膜能够有效地稳定锂金属界面，显著抑制锂枝晶的生长，从而延长电池的循环寿命。原位超声成像技术的应用为研究电池界面稳定性提供了一种无损、直观且高效的新方法，有助于深入理解电池内部的电化学过程，为进一步优化电池性能提供了重要的实验依据。

四、成果的应用前景与意义

（一）电动汽车领域的变革

电动汽车作为未来交通的主要发展方向之一，其续航里程和充电速度一直是消费者关注的焦点。高能量密度锂金属电池的成功研发将为电动汽车带来革命性的变革。以本研究中开发的电池技术为例，其显著提升的能量密度将使电动汽车在单次充电后能够行驶更远的距离，有效缓解消费者的续航焦虑。同时，快速的充电速度将大大缩短充电时间，提高电动汽车的使用便利性，使其更具竞争力。此外，稳定的电极界面和抑制锂枝晶生长的特性将极大地提高电池的安全性，降低电池热失控等安全风险，为电动汽车的大规模普及提供坚实的技术保障。

（二）便携式电子设备的续航提升

在智能手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式电子设备领域，电池续航能力是影响用户体验的关键因素之一。随着这些设备功能的日益强大，对电池能量密度的要求也越来越高。本研究成果将为便携式电子设备提供更持久的续航能力，使用户能够更长时间地使用设备而无需频繁充电。这不仅将提升用户的使用便利性，还将推动便携式电子设备在性能和功能上的进一步创新发展，如更强大的处理器、更高分辨率的屏幕等，为用户带来更加丰富和便捷的数字化生活体验。

（三）可再生能源存储的新突破

可再生能源（如太阳能、风能）的大规模发展离不开高效的储能技术。锂金属电池凭借其高能量密度和长循环寿命的特点，有望成为可再生能源存储领域的理想选择。通过将可再生能源产生的电能存储在锂金属电池中，可以实现电能的时空转移，有效解决可再生能源的间歇性和不稳定性问题，提高能源利用效率。这将促进可再生能源在能源结构中的占比进一步提高，推动全球能源转型，减少对传统化石能源的依赖，为实现可持续发展目标做出重要贡献。

（四）航空航天领域的应用潜力

航空航天领域对能源系统的要求极为苛刻，需要高能量密度、轻量化、高安全性的电池技术。锂金属电池在这方面具有巨大的潜力，有望为航空航天设备提供更强大的动力支持。例如，在卫星、航天器等设备中，高能量密度锂金属电池可以减轻电池重量，为其他关键部件腾出更多空间，同时提供更长时间的电力供应，延长设备的使用寿命和任务执行能力。这将推动航空航天技术的进一步发展，为人类探索宇宙提供更可靠的能源保障。

五、未来研究方向与展望

尽管本研究在锂金属电池领域取得了显著的突破，但研究团队表示，他们将继续在这一领域深耕，致力于进一步提升电池性能，推动锂金属电池技术的商业化应用。未来，研究团队将重点关注以下几个方面的研究工作：

（一）材料优化与创新

进一步探索不同金属单原子和功能基团对共轭酞菁框架材料性能的影响，通过精确调控材料的结构和组成，开发出性能更加优异的人工 SEI 膜材料。例如，研究团队计划尝试引入其他具有特殊性能的金属元素或功能基团，以进一步提高材料对锂离子的吸附能力、电荷传输速率和机械稳定性等性能指标。同时，深入研究材料的微观结构与宏观性能之间的关系，建立更加完善的材料设计理论模型，为开发高性能锂金属电池材料提供坚实的理论基础。

（二）合成方法改进

开发更加高效、低成本、环保的合成方法，以满足大规模工业化生产的需求。目前的无热解合成路线虽然在一定程度上减少了材料的团聚，提高了原子利用率，但仍存在一些改进的空间。研究团队将探索新的合成工艺和技术，优化反应条件，提高材料的合成效率和质量稳定性，降低生产成本，为锂金属电池材料的大规模生产和商业化应用

（二）合成方法改进

开发更加高效、低成本、环保的合成方法，以满足大规模工业化生产的需求。目前的无热解合成路线虽然在一定程度上减少了材料的团聚，提高了原子利用率，但仍存在一些改进的空间。研究团队将探索新的合成工艺和技术，优化反应条件，提高材料的合成效率和质量稳定性，降低生产成本，为锂金属电池材料的大规模生产和商业化应用奠定基础。例如，研究人员可能会尝试使用新型的溶剂或催化剂，以提高反应速率和产物纯度；或者探索微波辅助合成、超声化学合成等新兴合成技术，进一步简化合成步骤，提高生产效率。

（三）电池性能提升与稳定性研究

循环寿命延长
继续深入研究如何进一步延长锂金属电池的循环寿命。尽管目前的研究成果已经显著提高了电池的循环稳定性，但随着电池技术的不断发展，对于更长循环寿命的需求依然存在。研究团队将从电极材料、电解液、界面工程等多个方面入手，探索抑制锂枝晶生长、减少副反应发生的新机制和新方法。例如，开发新型的电解液添加剂，优化电极材料的微观结构，改进电池的封装技术等，以提高电池在长期循环过程中的稳定性和可靠性。
倍率性能提升
提高电池的倍率性能，使其能够在更高的充放电电流下保持良好的性能，也是未来研究的重要方向之一。研究团队将致力于优化材料的电子传导性能和离子扩散速率，通过设计合理的材料结构和复合体系，降低电池在高电流充放电过程中的极化现象，提高电池的功率密度。这将有助于锂金属电池在需要快速充放电的应用场景中（如电动汽车的快充、高功率电子设备等）发挥更大的优势。
安全性增强
电池安全性是制约其大规模应用的关键因素之一。尽管本研究中的电池技术在一定程度上提高了安全性，但研究团队仍将持续关注电池在各种极端条件下的安全性能，进一步研究如何防止电池热失控、起火、爆炸等安全事故的发生。例如，开发具有自修复功能的 SEI 膜，当 SEI 膜受到破坏时能够自动修复，保持其完整性；或者设计更加安全的电池结构和散热系统，提高电池在过充、过放、短路等异常情况下的安全性。

（四）与其他领域的交叉融合

探索锂金属电池与其他领域的交叉融合，拓展其应用范围。例如，结合人工智能和大数据技术，对电池的性能进行实时监测和优化管理。通过在电池内部集成传感器，实时采集电池的电压、电流、温度等数据，利用人工智能算法对这些数据进行分析和处理，实现对电池状态的准确预测和故障诊断，从而优化电池的充放电策略，提高电池的使用寿命和性能。此外，研究团队还将关注锂金属电池在智能电网、分布式能源系统、物联网等新兴领域的应用潜力，开发与之相适应的电池技术和系统解决方案，为这些领域的发展提供可靠的能源支持。

（五）推动产业化进程

加强与企业的合作，加快研究成果的产业化进程。研究团队将积极与电池生产企业、电动汽车制造商、电子设备厂商等建立紧密的合作关系，共同推动锂金属电池技术从实验室到产业化的转化。通过合作，实现技术与产业资源的有效对接，解决产业化过程中遇到的技术难题、成本控制、生产工艺优化等问题。同时，积极参与相关标准的制定，规范锂金属电池产业的发展，提高产品质量和市场竞争力，为我国在新能源领域的发展占据有利地位奠定基础。

总之，华南师范大学兰亚乾、华中科技大学黄云辉团队在锂金属电池领域的研究成果为高能量密度锂金属电池的发展带来了新的曙光。未来，随着研究工作的不断深入和技术的不断创新，锂金属电池有望在能源存储领域发挥更加重要的作用，为实现全球能源可持续发展和推动科技进步做出更大的贡献。我们有理由相信，在科研团队的不懈努力和各方的共同合作下，锂金属电池将迎来更加美好的明天。