锂金属负极（LMAs）因其超高的理论比容量（3860 mAh g⁻¹）、最低的氧化还原电位（相对于标准氢电极为−3.04 V）以及低密度（0.503 g cm⁻³），被认为是下一代可充电电池技术中实现高能量密度（>500 Wh kg⁻¹）的关键材料。然而，锂金属在沉积过程中容易形成枝晶，这些枝晶不仅会导致电池短路，还会降低电池寿命并危及安全性。
在此，复旦大学沈剑锋团队系统研究了锂在多种过渡金属基底上的电化学成核行为，并揭示了一种由这些金属的d带中心（εd）决定的基底依赖性成核势垒，其呈现倒火山型曲线。
密度泛函理论（DFT）计算表明，最佳的εd能够在锂成核过程中平衡锂原子的吸附和迁移，从而最小化成核势垒。基于此，提出了并验证了锂亲和性的催化本质，并在多种过渡金属化合物中进行了验证。
作为概念验证，作者通过引入Ni₂P来调节CoP的电子结构，通过CoP/Ni₂P异质界面处的电子重分布，使CoP的εd下移，从而优化锂原子的吸附和迁移，增强锂亲和性。这导致了富含CoP/Ni₂P异质界面的框架设计，实现了选择性底部成核，并有效抑制了枝晶的形成。该框架展现出卓越的循环稳定性，在450个循环中实现了99.1%的库仑效率，在100个循环后保持了90.2%的容量保持率。
图1. 锂-基底相互作用的电子机制
总之，该工作揭示了锂亲和性的催化本质，并系统研究了锂在多种过渡金属上的成核行为，发现成核势垒呈倒火山型曲线，通过调节d带电子结构实现了最佳的锂原子吸附强度和增强的传输动力学。
基于此，我们设计了一种富含CoP/Ni₂P异质界面的CoNiP/NF负极框架，实现了选择性底部成核和无枝晶的锂沉积，并在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下实现了超过99.1%的库仑效率，持续450个循环。在与LFP正极搭配的软包电池中，Li-CoNiP/NF在0.2C条件下100个循环后保持超过90.2%的容量。
此外，我们还在多种金属氧化物中验证了锂亲和性机制的稳健性。这些发现为推进锂金属负极的发展提供了关键见解，有助于开发高性能、长循环寿命的锂金属电池。
图2. 电化学和低温性能
Insight into the Catalytic Nature of Lithiophilicity for High-Energy-Density Lithium Metal Batteries, Journal of the American Chemical Society 2025 DOI: 10.1021/jacs.5c01017
沈剑锋，现任复旦大学专用材料与技术研究所教授。2005年获复旦大学学士学位，2010年获复旦大学博士学位。以第一作者或通讯作者在同行评审期刊上发表论文近200篇。目前的研究方向是能量存储与转换的先进材料。