可擕式智慧器件與長續航動力汽車的發展對可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。金屬鋰電池因其高比容量（3860 mA h g-1）和較低的標準電壓而備受關注，是理想的高能量密度負極資料。然而，鋰金屬電池的實際應用仍面臨不可控的鋰離子動力學問題，如不可控的鋰沉積和溶解行為、固態電解質中間相（SEI）介面的反復生成和變形以及體積膨脹等，這會引起嚴重的鋰枝晶問題並縮短鋰金屬迴圈壽命。我們在前期的正極研究中發現，金屬單原子催化劑與缺陷催化劑能够調控鋰離子的動力學行為（ACS Appl.Mater.Interfaces2020，12，12727；Chem.Eng. J.2020，128172；Energy Storage Mater.2019，18，246；Energy Storage Mater.2020，28，375；Adv. Funct.Mater.2021，31，2007434；ChemSusChem2020，13，3404）。基於此，在納米碳上的金屬單原子催化劑SACs可能有助於提供豐富的親鋰結合位點，調節鋰的動力學行為，引導鋰的均勻沉積而避免枝晶的生成。但現時，除了利用氮摻雜納米碳來負載SACs的製備方法，仍缺乏發展簡單有效錨定和穩定稿高濃度的SACs方法。
針對上述問題，中科院蘇州納米所王健博士與藺洪振研究員，首次提出利用缺陷位點來錨定金屬單原子的方法，將高活性金屬單原子錨定在陽離子缺陷化合物中作為鋰離子動力學調控層，實現對鋰離子動力學的催化，豐富的金屬單原子活性位點可引導鋰以較低的能壘均勻成核，並促進鋰金屬表面的無枝晶化過程。
與常規的納米碳資料相比較，陽離子缺陷金屬硫化物比納米碳具有更好的親鋰性。缺陷位點能够捕獲並錨定金屬單原子，利用球差矯正電鏡與X射線吸收光譜表徵了鈷單原子的形貌與化學環境，並通過能量散射譜分析了鈷原子和鐵原子的價態特徵，確認了Fe1-xS和鈷單原子的存在形態。
圖1陽離子缺陷硫化亞鐵錨定高活性鈷單原子的合成示意圖和形貌特徵
圖2.SACo/ADFS@HPSC複合體系中活性金屬單原子的譜學特徵
高活性的原子位點使SACo/ADFS@HPSC具有協同親鋰和催化鋰離子動力學的效應能够顯著調控鋰沉積行為。活性金屬單原子位點降低了鋰成核勢壘，促進鋰的均勻水准沉積，從而獲得1600 h的超長壽命和較高的庫侖效率，有效封锁了鋰沉積過程中的枝晶生長，並對迴圈後的電極形貌進行了表徵與機制研究。
圖3.SACo/ADFS@HPSC調控層提升鋰金屬電極的電化學穩定性和壽命
圖4.SACo/ADFS@HPSC對鋰金屬電極表面鋰離子動力學的調控機理解析
與常規的SACs一樣，SACo/ADFS@HPSC調控層對多硫化物的催化、硫化鋰的沉積具有明顯的催化作用。調控的鋰金屬作為負極與硫正極匹配後，鋰硫全電池的硫利用率和倍率效能顯著提高，倍率最高可達10 C。在1 mA cm-2下，製備的硫面積載量為5.4 mg cm-2的軟包電池的面容量為3.78 mA cm-2，體現出了較好的實際應用前景。這項工作提供了一種利用催化資料來控制均勻剝離和沉積鋰的表面電化學行為的新策略。
圖5.全電池電化學性能測試
以上研究成果的第一作者為王健博士，通訊作者為藺洪振研究員，以“Long-Life Dendrite-Free Lithium Metal Electrode Achieved by Constructing a Single Metal Atom Anchored in a Diffusion Modulator Layer”為題發表在NanoLetter。文章連結https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.1c00534。這項工作得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金及德國Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金項目支持。
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