由于锂枝晶生长、体积膨胀、与电解质副反应等问题，高能量密度锂金属软包电池在实际应用中仍面临一些挑战：
（1）锂枝晶生长与界面不均匀：锂金属阳极表面形成的SEI模型导致Li+通量不均匀，进而引发锂枝晶生长和电解液消耗。
（2）锂金属性能提升与大规模改性：为实现高能量密度锂金属软包电池的开发，需要找到一种能够大规模和统一实施的改性方法来提高锂金属的性能。在锂金属上涂覆改性层被视为一种解决方案，但无机材料难以均匀分散，单一聚合物涂层难以抑制锂枝晶生长。
（3）2D材料应用于SEI层构建：虽然2D材料因其平面结构和独特性质被考虑用于构建人工SEI层，但其在锂金属上的逐层组装可能增加Li+传输路径距离，导致电池动力学不良和界面阻抗增加。
基于此，北京航空航天大学宫勇吉教授和翟朋博副研究员、上海空间电源研究所杨承（共同通讯作者）等人针对锂金属负极沉积不均匀导致电池性能不佳的问题，报道了一种锂离子选择性传输层，通过逐层组装的质子化氮化碳纳米片实现高效、无枝晶的锂金属负极，显著提升了电池循环稳定性和能量密度：
（1）创新性地设计了宏观均匀、无晶界的质子化氮化碳（PCN）纳米片锂离子选择性传输层，该层通过逐层组装形成，有效消除了晶界对锂金属沉积的影响。324 Wh/kg 软包电池在300次循环后容量保持率高达90.0%，平均库仑效率达99.7%，实现了电池性能上的显著突破。
（2）通过优化氮化碳纳米片的结构，提供了高速、低曲折的锂离子传输通道，显著提升了锂离子的传输性能。与g-C3N4相比，PCN纳米片表现出更好的Li+传输性能，使得使用PCN-PEO@Li电极的对称电池表现出稳定的循环和高的锂利用率。成功组装了506 Wh/kg的高能量密度NCM83软包电池，实现了160次稳定循环。
首先，在Ar保护下将三聚氰胺粉末加热至550 °C并持续2 h，在空气条件下进一步加热至600 °C持续5 h以剥离块状g-C3N4，经过乙醇和蒸馏水洗涤以及真空干燥得到g-C3N4粉末。接着，将g-C3N4粉末加入HCl溶液中剧烈搅拌，过滤并洗涤后重新分散在蒸馏水中，再进行超声波处理以获得PCN纳米片，通过冷冻干燥得到质子化C3N4（PCN）纳米片。最后，制备了PCN-PEO@Li电极。将PCN纳米片分散在无水乙腈中，加入PEO和LiTFSI溶解并搅拌得到PCN-PEO浆料。将锂箔放在玻璃板上，用刮刀均匀涂抹PCN-PEO浆料，乙腈挥发后模切成所需尺寸。同时，以铜箔作为集流体，以相同方式制备了PCN-PEO@Cu电极。
图1.有无保护层的Li+传输过程示意图
图2. PCN保护层的Li+选择性
图3.不同电极与锂镀层的演变
图4.半电池性能及界面层分析
图5. PCN-PEO保护层在纽扣电池中的电化学性能
具有PCN-PEO@Li电极的对称电池展现出卓越的锂沉积/剥离循环稳定性，循环时间超2000小时，且在1.0 mA/cm2和1.0 mA/cm2条件下过电位低至16.1 mV，明显优于裸锂阳极。即使在高电流密度和容量下，PCN-PEO@Li电极也能保持长时间循环。PCN-PEO保护层在降低过电位、传输活化能和电荷转移方面均优于g-C3N4和纯锂箔，且Tafel图显示其电荷转移过程更快。在组装的全电池中，PCN-PEO@Li与LiFePO4正极配对表现出优异的倍率性能，各电流密度下的可逆容量均高于裸Li‖LFP电池。在2.0 C的倍率下，PCN-PEO@Li‖LFP电池能稳定循环超500次，容量保持率高达90%，而Li‖LFP电池则迅速衰减。
图6.锂金属软包电池的电化学性能
作者组装了具有PCN-PEO保护层的324 Wh/kg无CC锂金属软包电池，容量可达380 Wh/kg。PCN-PEO@Li电极显著提高了锂金属软包电池的能量密度和循环寿命，实现了300多次稳定循环，容量保持率为90.3%，且充放电曲线平稳。此外，作者还组装了506.7 Wh/kg NCM83锂金属软包电池在100次循环后仍保持高能量密度，并成功实现160次循环。
Macroscopically uniform interface layer with Li+ conductive channels for high-performance Li metal batteries. Nat. Commun., 2024.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54310-1.
宫勇吉，北京航空航天大学教授、博士生导师，2011年毕业于北京大学化学与分子工程学院，获得本科学士学位。2015在美国莱斯大学获得博士学位；2016-2017在美国斯坦福大学从事博士后研究。主要研究方向为二维材料的规模化合成及其在新能源、信息器件方面的应用，包括锂金属电池、半导体器件等。
课题组网页：http://shi.buaa.edu.cn/gongyongji/en/index.htm.
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