AEM: 长续航高能量锂金属电池的关键：转换 - 亲锂材料创新

研究背景：锂金属因高理论容量和低电极电位，成为高能量密度电池阳极的理想选择。但实现高能量密度需严格控制锂浓度和阴阳极容量比（N/P），现有调控锂电镀和剥离行为的策略无法完全解决死锂形成和库仑效率降低等问题。功能锂金属主体材料虽基于亲锂材料构建，但稳态锂沉积和电池寿命问题仍待解决，且碳化物基化合物研究较少。过渡金属阳离子通过可逆置换氧化还原反应可实现大量锂离子存储，将转换材料集成到锂金属阳极有望提高全电池转换效率。

研究内容

策略设计与材料制备：提出转换 - 亲锂性（CL）策略，将增强金属锂沉积的亲锂主体与能存储锂离子的电化学活性位点相结合。通过静电纺丝技术制备了嵌入电化学活性 Fe₂O₃和亲锂 Fe₃C 的碳纳米纤维（EC-LPF）。DFT 计算表明，Fe₃C 对锂的吸附能达 - 2.57eV，远超 Fe₂O₃ ，在电池中，锂先注入 Fe₂O₃ 临时存储，后在 Fe₃C 作用下沉积，Fe₂O₃中预存储的锂离子可在死锂积累时释放，延长电池循环寿命。

材料结构与性能表征：SEM、TEM 等表征显示，EC-LPF 直径约 300nm，表面分散着约 20nm 的纳米颗粒，具有丰富多孔结构，Fe₃C 和 Fe₂O₃均匀分布。XRD、Raman、XPS 等分析证实了材料的相组成、石墨化程度、表面化学成分和元素状态。EC-LPF 具有较高的比表面积和适宜的孔径分布，有利于离子传输。在锂离子存储性能测试中，EC-LPF 表现出较高的可逆容量和库仑效率。其形成的 SEI 膜富含无机成分，具有良好的亲锂性，锂沉积的成核过电位低至 12mV。

电池电化学性能测试：对称电池测试中，Li/EC-LPF 对称电池过电位低、循环稳定性好，在 3mA cm⁻² 电流密度和 1mAh cm⁻² 面积容量下，可稳定循环 400 多小时，过电位低至 24mV，库仑效率超 97%。在高电流密度下，其极化电压稳定，电荷转移能力强。与 LiFePO₄阴极组装成全电池后，LiFePO₄||Li/EC-LPF 全电池在 1C 倍率下循环 300 次，容量保持率高，能量密度达 438Wh kg⁻¹ ，在 2C 倍率下仍有 124mAh g⁻¹ 的比容量。三电极测试进一步揭示了电池充放电过程中电极电位变化和容量补充机制，EC-LPF 能有效延长全电池循环寿命。

研究结论：该研究提出的转换 - 亲锂性策略有效提升了锂金属电池性能。亲锂的 Fe₃C 实现了低成核过电位和均匀锂沉积，电化学活性的 Fe₂O₃提供了额外容量，缓解了死锂积累问题。LiFePO₄||Li/EC-LPF 全电池展现出优异的性能，在高能量密度和长循环寿命方面优势显著。该策略为高性能锂金属电池的发展提供了新途径，具有广阔的应用前景。

图文简介

（a）Fe₂O₃和（b）Fe₃C 中锂的吸附结构及相应吸附能。（c）常见碳化物中锂的吸附能。（d）基于 EC - LPF 全电池的转换 - 亲锂性机制示意图，包括初始状态、锂离子嵌入、锂沉积以及长循环后的情况，以及（e）其氧化还原反应过程。

a) 自支撑电极首次活化的充放电曲线。b) 自支撑电极 15 次循环后的 dQ/dV 曲线。c) 锂活化后处于锂嵌入状态的 EC - LPF 的 X 射线衍射（XRD）图谱，以及 d) 透射电子显微镜（TEM）图像，插图：d 图中高亮方形区域对应的快速傅里叶变换（FFT）图案。e) 锂活化后自支撑电极典型的 X 射线光电子能谱（XPS）全谱，f) 通过 XPS 获得的原子化学组成，以及 g) 锂活化后自支撑电极 F 1s 的高分辨率 XPS 光谱。h) 锂在自支撑电极上的沉积曲线，插图：统计成核过电位图。i) 锂在复合材料界面位点的吸附能。

a) 倍率性能。b) LiFePO₄||Li/EC - LPF 在 0.2、0.4、0.6、0.8 和 1.0 mV s⁻¹ 不同扫描速率下的典型循环伏安（CV）曲线，以及 c) 相应峰电流的线性拟合。d) 由循环伏安法得到的电压滞后图。e) 锂离子在 EC - LPF、ECF 和 LPF 结构中的迁移势垒。f) LiFePO₄||Li 全电池电化学性能对比图。

论文信息

通讯作者： Tao Wang, Yuping Wu, Shengjie Peng