亲锂性低价态金属氧化物助力高性能三维锂金属负极研究

为解决锂金属负极(LMAs)库仑效率低、循环稳定性差等问题，研究人员通过单置换反应构建了镍氧化物修饰的三维集流体，发现NiO/NF (N2N)宿主材料可有效调控锂沉积/剥离行为并稳定固态电解质界面(SEI)，在1C倍率下实现99%的高库仑效率，为实用化锂金属电池(LMBs)提供了新策略。

　　

锂金属负极(LMAs)因其-3.04 V vs. SHE的最低氧化还原电位和3860 mAh g^-1的理论比容量，被视为下一代高能量密度储能器件的理想选择。然而，不稳定的固态电解质界面(SEI)和锂枝晶生长导致的低库仑效率(CE)、循环寿命短及安全隐患，严重阻碍其商业化进程。当前锂离子电池(LIBs)能量密度已接近300 Wh kg^-1的天花板，开发新型电极材料迫在眉睫。

为解决这一挑战，研究人员通过简便的溶液燃烧法制备了不同价态的镍氧化物修饰三维镍泡沫(NF)宿主材料。研究发现，二价镍氧化物(NiO)与锂发生适度单置换反应形成的Li@NiO/NF(LN2N)具有大比表面积和低锂扩散能垒，而三价镍氧化物(Ni₂O₃)因过度反应导致有效锂面积缩减。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等表征手段证实，LN2N可显著降低过电位(70 mV)和电荷转移阻抗，在100 mA cm^-2和50 mAh cm^-2条件下展现卓越循环稳定性。与商业LiFePO₄(LFP)和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM)正极匹配时，LN2N基全电池在1C倍率下分别实现300次和200次稳定循环，CE高达99%。

研究采用的关键技术包括：1) 通过高温氧化和水热法分别制备NiO/NF(N2N)和Ni₂O₃/NF(N3N)；2) 熔融锂浸渍法构建复合负极；3) 对称电池和全电池电化学测试体系；4) 结合SEM、EDS、XRD等材料表征手段。

Material preparation
通过600℃氧气氛热处理NF获得NiO，水热法合成Ni₂O₃，证实不同价态镍氧化物的可控制备。

Sample characterizations
SEM/EDS显示氧化物均匀负载，XRD验证晶体结构，LN2N表现出更优的锂亲和性和界面稳定性。

Conclusion
阐明NiO适度反应形成的高效锂宿主机制，Ni₂O₃因过度消耗活性锂导致性能劣化，为价态调控策略提供理论依据。

该研究首次揭示不同价态金属氧化物对锂金属负极性能的差异化影响，通过精确控制氧化态实现SEI稳定化和锂均匀沉积，为开发安全、高效的新型锂金属电池开辟了新途径。论文发表于《Materials Today Energy》，通讯作者Fude Liu团队的工作得到PeaCock Plan Research Fund等项目的资助。