再發Nature！華南理工學者在鋰金屬電池領域獲重大進展

灣區時訊（編輯／劉秀 通訊員／華軒）繼無機鈣鈦礦疊層光伏領域實現突破后，華南理工大學嚴克友教授團隊在高能量密度鋰金屬電池領域又取得重大進展。該成果為研發、制造新一代高性能鋰電池、推動新能源汽車以及光伏-儲能一體化等領域發展提供了新的關鍵技術。

該團隊針對鋰金屬負極在碳酸酯電解液的界面穩定性難題，利用單斜相m-Li₂ZrF₆ 納米顆粒作為添加劑，成功在鋰金屬負極表面構建了具有優異電化學性能的基于三方相t-Li₂ZrF₆固態電解質界面，實現了鋰金屬電池在高載量、低N/P值和超高倍率下的穩定循環，能夠在2C的倍率下循環3000次后依然擁有80%的容量保持率，達到同級別最高水平。

由于m-Li₂ZrF₆ 納米顆粒的合成工藝簡單，具備大規模生產條件，為鋰金屬電池的廣泛應用提供了解決方案。研究成果歷經2年5個月的4輪審稿、修改，最終以“Li₂ZrF₆ based electrolytes for durable lithium metal batteries”（六氟鋯酸鋰基耐用型鋰金屬電池）為題發表在國際頂尖學術期刊Nature上。

該論文第一完成單位為華南理工大學，徐慶帥博士為第一作者，丘勇才、嚴克友教授領導了該項目團隊，嚴克友為通訊作者。昆明理工大學李坦副教授、溫州大學居治金教授為共同第一作者。浙江工業大學陶新永教授、中國科學院物理研究所李泓研究員、北京航空航天大學郭林教授為共同通訊作者。該工作得到了海外高層次人才計劃、國家自然科學基金和重點研發計劃，廣東省創新創業團隊及青年拔尖人才計劃、興華人才計劃的基金的大力支持。

鋰金屬電池憑借鋰金屬負極極低的電化學還原電位和超過高的理論比容量，而被認為是最有潛力的下一代電池候選者，它有潛力將現有鋰離子電池的能量密度提升一倍。然而目前，基于鋰離子電池的碳酸酯基電解液體系，與鋰金屬電池仍然無法很好地兼容。其根本原因在于，目前的商業電解液無法在鋰金屬負極表面形成穩定的固態電解質界面。這種缺陷不僅會造成鋰枝晶的生長，帶來電池爆炸的風險，還會嚴重影響鋰金屬電池的循環壽命。如何在鋰金屬負極界面表面構建同時具有高電子絕緣性、高離子電導率和高化學穩定的理想型固態電解質界面，一直是這一研究中的關鍵難題。

該工作創新點和作用機理示意圖

針對以上難點，研究團隊基于理論計算，驗證了以t-Li₂ZrF₆ 晶體構建理想型固態電解質界面的可行性，首次提出用電場驅動m-Li₂ZrF₆ 轉化為t-Li₂ZrF₆來構筑固態電解質界面的策略。相關實驗表明，這一策略不僅能夠憑借優異的電子絕緣性阻止電子擊穿固態電解質界面進而抑制電解液的分解，還能夠為Li⁺ 提供快速遷移的通道，提高鋰金屬電池的倍率性能。此外，t-Li₂ZrF₆晶體表面豐富的親鋰位點能夠和其內部的離子通道一起，誘導鋰金屬均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長，從而提高鋰金屬電池的安全性。同時，過量m-Li₂ZrF₆添加劑不僅能夠改善傳統添加劑在循環中被耗盡的缺陷，還能夠通過ZrF₆^2-離子及時修復破損的固態電解質界面，為鋰金屬負極的界面穩定性提供長期保護。

基于上述優勢，m-Li₂ZrF₆納米添加劑能夠使Li||LiFePO₄電池在普通商業碳酸酯電解液中，以2C的倍率穩定循環3000次，且擁有超過80%的容量保持率。這項工作為鋰金屬負極界面保護提供了新的研究材料和思路。

日前，嚴克友教授團隊成功制備了全球首個2端全無機鈣鈦礦疊層電池，相關成果以“Durable all Inorganic perovskite tandem photovoltaics”為題發表在Nature上，受到各界關注。本文是時隔一個多月后，該團隊發表在Nature上的又一重大成果。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08294-z

華南理工大學主要作者介紹：

徐慶帥，本文第一作者，華南理工大學博士。博士導師為丘勇才、嚴克友教授。主要從事儲能材料制備，鋰金屬負極設計和電解液設計研究，并得了一系列的研究成果。近五年以第一作者在國際著名期刊上發表多篇SCI期刊論文，其中包括Nature， Adv. Energy Mater.等。

嚴克友教授，本文通訊作者，海外高層次引進人才，環境與能源學院環境與能源融合教研所所長，發光材料與器件國家重點實驗室成員，碩/博導。長期從事太陽能轉化、儲存和利用研究，在Nature，J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Angew. Chem.，Adv. Energy. Mater等國際學術期刊發表學術論文150余篇，文章被引萬余次，多次被學術媒體報道。主持海外高層次人才，廣東省創新創業團隊及青年拔尖項目等，獲得教育部自然科學二等獎等。

單位簡介：

華南理工大學環境與能源學院具有“環境科學與工程”一級學科博士學位授予權，本科專業“環境工程”入選國家一流專業建設。環境科學/生態學2017年進入全球ESI前1%。學院下設水工、水處理、大氣、土壤、固廢、污控、生態、新能源、環能、環境健康共10個教研所。建有國家工程實驗室、教育部重點實驗室、省重點實驗室等20個高水平創新科研平臺。學院面向國家戰略重大需求，充分發揮“源頭減排、過程控制、末端治理”全過程污染控制優勢，先后承擔一大批國家重點重大類科研項目和工程類項目，獲國家科技獎勵4項、省部級一等獎30余項、國家專利獎9項，有力支撐國家和灣區經濟社會發展和生態文明建設。

環境與能源融合教研所，面向國家重大需求和“雙碳”目標，圍繞能源與環境交叉領域的新材料、新器件和新技術開展研究。主要研究內容包括：太陽能高效轉換、儲存和綠色利用技術；光電熱、生物質環境催化凈化及其再生技術；廢舊新能源材料和器件的綠色回收和資源化循環再利用技術。