为实现“碳中和、碳达峰”的目标，亟需寻找下一代清洁的高能量密度电池。与石墨负极相比，锂金属负极展现出高理论容量（3860 mA h g-1）和低的电位。然而，金属锂的超高反应活性、固体电解质中间相（SEI）的生成与破裂、锂枝晶的产生，导致了低的库仑效率（CE）低，甚至会导致电池内部短路、过热及起火。在前期研究中，中国科学院苏州纳米所蔺洪振团队等构筑人工SEI层调控Li传输以抑制枝晶的形成（Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; Energy Storage Mater. 2022, 52, 210；Chem. Eng. J. 2022, 446, 137291; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434；ACS Appl. Mater. Interface 2019, 11, 30500; Adv. Energy Sustain. Res. 2022, 2100187）；引入活性催化剂/活化剂改变界面位点活性，可以降低锂扩散与反应势垒，以获得长的锂电池循环寿命（Nano Lett. 2022, 22, 8008; Adv. Sci. 2022, 2202244; Nano Lett. 2021, 21, 3245；Chem. Eng. J. 2022, 429, 132352; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater. 2020, 28, 375; ChemSusChem 2020, 13, 3404; J. Mater. Chem. A 2020, 8, 22240; Chem. Eng. J. 2020, 417, 128172; Energy. Environ. Mater. 2022, 5, 731）。鉴于此，团队受邀在ACS NANO期刊从动力学的角度阐述金属Li沉积过程涉及一系列Li传输动力学步骤，例如Li+穿过SEI传输、Li+或Li0沿着电极表面或主体内部的扩散/迁移，以及Li的成核和生长（ACS Nano 2022, 16, 17729）。Li+-Solvents结构在界面处的解离并释放游离Li+对于随后Li+和Li0的体相扩散和重新分布起着决定性作用。实际上，Li+溶剂化结构的去溶剂化过程可视为具有特定能垒的分解配位反应，高的反应能垒使得界面去溶剂化过程成为锂沉积的决速步。因此，如何发展新型不同于孔径筛分与高浓盐电解液以外的高效策略势在必行。
针对上述问题，中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士、Stefano Passerini院士从界面解离动力学角度，提出了界面催化去溶剂化策略，构筑“SAC-in-Defects”型活性催化剂，降低Li+-Solvents在界面处的解离势垒及中性锂原子在金属锂表面横扩散的势垒，改善其在电极/电解液界面、金属表面内的动力学传输特性。首次采用自行构筑设计的原位电化学和频振动光谱（SFG）追踪了Li+-Solvents结构分子在“SAC-in-Defects”表面的演变过程，解析了催化去溶剂化的作用机制，对未来发展高容量长寿命且无枝晶的快速充放电的金属电池具有启示作用。
图1. 理论模拟“SAC-in-Defects”活性催化剂对界面去溶剂化的作用。
图2. 原位SFG表征“SAC-in-Defects”催化去溶剂化的动态过程。
图3. Li-Li和Li-Cu半电池电化学性能研究。
图4. Li-LFP全电池电化学性能研究。
图5.“SAC-in-Defects”界面调控工作机制研究。
以上研究成果以Interfacial “Single‐Atom‐in‐Defects” Catalysts Accelerating Li+ Desolvation Kinetics for Long‐lifespan Lithium Metal Batteries为题发表在Adv. Mater.，通讯作者为德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士、中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员和德国卡尔斯鲁厄理工学院Stefano Passerini院士。该工作受到了江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金及德国Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金项目支持。
