近日，我院化工系杜飞虎课题组在材料领域顶级标志性期刊《Advanced Materials》（中科院1区，最新影响因子：30.849）上发表题为“A Dendrite-Free Lithium Metal Anode Enabled by Designed Ultra-Thin MgF₂ Nanosheets Encapsulated insideNitrogen-Doped Graphene-Like Hollow Nanospheres”的研究论文，且被选为卷首插图封面。2019级硕士生研究生李尚奇（国家奖学金获得者）和2020级硕士研究生张玲为共同第一作者，杜飞虎特聘副研究员和王勇教授为共同通讯作者，3499cc拉斯维加斯为唯一通讯单位。

图1 Advanced Materials期刊上的卷首插图封面。

锂（Li）金属负极因其无与伦比的理论比容量（3860 mAh g^-1）、最低的电化学电位（-3.04 V）和较轻的质量（0.534 g cm^-3）而被认为是新一代充电电池的理想负极材料。遗憾的是，在考虑锂金属负极商业化之前，必须解决两个长期存在的问题：安全隐患和电化学性能差。在循环过程中，负极表面形成的枝晶会刺穿隔膜，从而导致电池短路。此外，负极表面的固体电解质界面膜比较脆弱在循环过程中易于破裂，导致电解液不断分解并且容量快速衰退。该工作将原子层沉积（ALD）和化学气相沉积（CVD）完美结合，巧妙地将超薄MgF₂纳米片封装在氮掺杂类石墨烯空心纳米球内（MgF₂NSs@NGHSs）来解决这些问题。采用原位光学显微镜、原位透射电子显微镜（TEM）和理论计算，分别从宏观上观测锂枝晶的抑制，微观上证明锂选择性沉积到空腔内部，以及在原子层面上推测初始锂化过程，进而逐步研究复合材料的锂沉积行为和机制。

图2 原位TEM观测锂在MgF₂NSs@NGHSs上的形成与机理。

所设计的复合材料表现出优异的电化学性能。基于MgF₂NSs@NGHSs电极的半电池，在1 mA cm^-2的条件下以98.6%的超稳定库仑效率循环了590圈，而且MgF₂NSs@NGHSs@Li的对称电池显示出超过1330h的长循环寿命。由MgF₂NSs@NGHSs@Li和磷酸铁锂（LFP）构成的全电池在1 C下稳定循环1000圈后还能保持超高的放电容量（90.6 mAh g^-1）并拥有卓越的容量保持率（65.9%），同时展现出了优异的倍率性能。这得益于由MgF₂纳米片形成的均匀连续的Li-Mg固溶体内层可以降低成核过电势并诱导Li选择性沉积到NGHSs的空腔内。

图3 MgF₂NSs@NGHSs的全电池性能。

上述工作得到了上海市自然科学基金和上海市地方高水平高校创新研究团队等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202201801