仿生纳米流体界面层实现高倍率无枝晶锂金属负极

锂金属负极(LMEs)因枝晶生长和界面Li+传输受限面临挑战。本研究受生物离子通道启发，开发了具有纳米流体效应的人工界面层(AIL-NFE)，其Li+扩散系数(D)比体相溶液高107倍，迁移数(μ+)达0.77，实现了200mA cm-2超高电流密度下的稳定循环，为高能量密度电池提供新策略。

　　

随着能源技术快速发展，商用锂离子电池(LIBs)已难以满足日益增长的高能量密度需求。锂金属负极(LMEs)因其3860 mAh g^-1的超高理论容量被视为"圣杯"负极，但枝晶生长和循环过程中的剧烈体积变化导致库仑效率(CE)低下和安全问题。传统策略如三维集流体、亲锂合金、电解质优化等均存在局限性：或增加副反应，或机械强度不足。尤其在高电流密度下，界面Li⁺传输不足引发的"尖端效应"会加速枝晶形成——这就像城市供水系统出现瓶颈时，水流会优先涌向最近的出口造成局部拥堵。

为解决这一难题，Song Chunlei等研究者从生物离子通道获得灵感。自然界中，细胞膜离子通道能以10⁸ ions/s的超高速率选择性传输K⁺离子。受此启发，团队设计了一种4-羧基喹啉连接的共价有机框架(AIL-NFE)，其3nm通道尺寸与德拜长度(λ_d)相当，在低盐浓度(≤10^-4 mol L^-1 LiTFSI)下产生重叠的双电层(EDL)，实现"生物离子通道"般的纳米流体效应。

关键技术包括：1）通过Doebner反应合成具有负表面电势的共价有机框架；2）小角X射线散射(SAXS)和透射电镜(TEM)表征3nm通道结构；3）电化学阻抗谱(EIS)测定Li⁺扩散系数和迁移数；4）扫描电化学显微镜(SECM)原位监测锂沉积形貌；5）组装Cu||LFP和Li||S全电池评估性能。

纳米流体离子传输机制

当LiTFSI浓度低于10^-4 mol L^-1时，AIL-NFE展现出反常的离子传输行为：其电导率不再随浓度降低而下降，Li⁺扩散系数达1.0×10^-10 cm² s^-1（比体相溶液高10⁷倍），迁移数提升至0.77（体相溶液仅0.21）。

电极动力学增强

塔菲尔曲线显示AIL-NFE使交换电流密度提升3倍，活化能降低至23.4 kJ mol^-1。SECM成像证实锂沉积更均匀，原子力显微镜(AFM)显示表面粗糙度(RMS)降低60%。

电化学性能突破

Li||Cu电池在200mA cm^-2超高电流下实现99.7%的CE，Li||Li对称电池在-20°C稳定循环700小时。无负极Cu||LFP电池200次循环容量保持率80.1%，Li||S软包电池在6.0 mg cm^-2硫载量下实现505.1 Wh kg^-1的能量密度。

这项发表于《Nature Communications》的研究开创性地将生物纳米流体效应引入电池界面工程。AIL-NFE通过模拟细胞膜离子通道的选择性传输机制，在低盐浓度下仍保持超高Li⁺通量，解决了Sand时间(T_sand)过短导致的枝晶难题。其意义不仅在于创造了200mA cm^-2的电流密度记录，更开辟了"仿生离子调控"这一电池设计新范式。特别在低温环境下，该技术使锂硫电池在-20°C仍保持70.7%容量保持率，为中国38%的低温地区提供了可行的储能解决方案。