南开大学陈军院士，最新Angew！

南开大学陈军院士团队在《Angewandte Chemie International Edition》发表最新研究，通过调控集流体晶面实现锂金属电池无枝晶沉积。研究以单晶铜箔（s-Cu(100)）为平台，揭示了集流体晶面与固体电解质界面相（SEI）组成的关联机制，为高性能锂金属电池设计提供了新策略。研究背景与核心问题锂金属电池因高理论容量（3860 mAh g?1）和低电化学电位（-3.04 V vs. SHE）被视为下一代储能技术的理想选择。然而，固体-电解质界面相（SEI）不稳定导致电解质持续分解，锂枝晶不受控生长引发短路和热失控，严重阻碍其商业化应用。传统多晶铜集流体（p-Cu）表面晶面取向杂乱，形成的SEI以有机成分为主，机械稳定性差，易破裂并诱发枝晶。关键发现与创新点晶面调控SEI组成理论计算（DFT）表明，Cu(100)晶面对阴离子（如TFSI?、PF??、FSI?、ClO??）的吸附能力显著强于(111)和(100)晶面。阴离子优先参与内亥姆霍兹层（IHP）形成，诱导富无机SEI（如LiF）生成，其机械强度和离子导电性优于有机主导的SEI。实验验证：s-Cu(100)表面SEI中LiF含量较p-Cu提高2倍以上，杨氏模量达4.98 GPa（p-Cu仅为2.34 GPa），均匀性显著提升。图5：ToF-SIMS深度分析显示s-Cu(100)表面SEI富集LiF，C2HO?（有机成分）含量更低。单晶铜箔制备技术开发拉伸应力辅助热处理法，通过调控应力实现晶面定向转化。表征结果：XRD、EBSD和HAADF-STEM证实，施加100 N cm?2应力可获得高纯度[100]取向单晶铜箔（s-Cu(100)），其极图呈现集中斑点，IPF轮廓强度显著高于多晶铜。图2：拉伸应力诱导晶面从(111)向(100)转变，最终获得高质量s-Cu(100)。无枝晶锂沉积的普适性在LiTFSI、LiFSI、LiPF?、LiClO?等多种电解质中，s-Cu(100)均实现均匀平面锂沉积，而p-Cu和s-Cu(111)表面枝晶严重。机理：富无机SEI抑制枝晶生长，剥离后表面无“死锂”残留，循环50次后SEI仍保持完整。图3：s-Cu(100)表面锂沉积呈均匀平面结构，无枝晶形成。电化学性能突破半电池测试Li||s-Cu(100)电池在1 M LiTFSI/DOL-DME电解质中，平均库仑效率（CE）达99.17%，循环寿命超800次（p-Cu电池200次内失效）。全电池与软包电池验证LiFePO?（LFP）全电池：s-Cu(100)@Li负极循环540次，容量保持率显著高于p-Cu@Li（91次失效）和s-Cu(111)@Li（198次失效）。Ah级软包电池：LFP体系：初始容量1.67 Ah，能量密度195 Wh kg?1，低N/P比（2.6）下循环100次后容量保持率88.89%。NCM811体系：可逆容量1.3 Ah，极低N/P比（~2）和稀薄电解质（2.4 g Ah?1）下稳定循环150次。图6：s-Cu(100)@Li||NCM811软包电池在低N/P比和稀薄电解质条件下循环稳定性优异。研究意义与展望该工作首次揭示了集流体晶面通过调控SEI成分实现锂沉积行为控制的机制，提出的晶面工程策略具有普适性，为解决锂金属电池枝晶问题提供了新范式。未来研究可进一步探索其他金属集流体（如镍、锌）的晶面调控潜力，以及规模化制备单晶集流体的工艺优化。文献信息：The Dependence of Solid Electrolyte Interphase on the Crystal Facet of Current Collector in Li Metal Battery, Angewandte Chemie International Edition (2024).DOI: 10.1002/anie.202407064