锂离子电池在电动汽车、便携式电子设备和电力储能站等多种应用中发挥着重要作用。然而，当前的负极材料—商用石墨由于其理论容量仅为372 mAh g−1，无法满足未来科技发展对锂离子电池的性能要求。这促使研究人员投入大量精力探索具有更高容量、更优异倍率性能和更长循环寿命的新型负极材料。如金属锂负极、Sn基负极或Si基负极等。但新型负极材料仍然面临一定问题，如金属锂负极虽然理论容量高，但在充放电循环过程中金属负极易生成锂枝晶，刺穿隔膜，降低电池安全性；此外Sn基负极在充放电循环过程中会引起较大体积膨胀问题，导致电极材料粉末，降低电池循环稳定性。

为此，针对金属锂枝晶问题，李美成教授课题组从超薄固态电解质策略的角度出发，即，降低固态电解质的厚度、提高室温离子电导率以及改善与电极材料兼容性。采用简单的溶液浸渍法，引入具有丰富极性酰胺基团、大长径比的芳纶纳米纤维为多孔骨架，填充丁二腈-双三氟甲基磺酰亚胺锂电解质基体，获得厚度为23.8μm的复合电解质薄膜。借助极性酰胺基团与锂离子的相互作用，芳纶纳米纤维网络骨架可提供连续的快离子传输路径，显著提高电解质的室温离子电导率(1.67×10–3 S cm–1)以及锂离子迁移数(0.57)。针对Sn基负极体积膨胀问题，采用消减Sn基化合物厚度方法制备超薄二维Sn4P3纳米片，其厚度可达2nm。应用与锂离子电池材料负极时，显著提升了锂离子电池的循环稳定性，可达1000圈。

2024年2月起，相关研究成果分别以题为“A Thin and Ultrahigh-ionic-conductivity Composite Electrolyte with 3D Aramid Nanofiber Networks towards Ambient-Temperature Lithium Metal Batteries”，“Heteroatom Immobilization Engineering toward High-Performance Metal Anodes”，和“Layer-controlled 2D Sn4P3 via space-confined topochemical transformation for enhanced lithium cycling performance”发表在Advanced Energy Materials, ACS Nano,和Nano Research上。该系列成果为锂离子电池的未来发展和应用提供了理论与技术参考。论文的通讯作者是新能源电力系统全国重点实验室李美成教授，新能源电力系统全国重点实验室是论文的第一通讯单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和青年项目、国家重点研发计划课题等项目资助。

▲图1 原子异质工程在金属负极的应用

▲图2 复合电解质的制备工艺及表征示意图

Reference：

[1] Dongmei Zhang, Xianglong Meng, Wendi Zhang, Jinshan Mo, Qian Zhao, Baoyi Wang, Qianxiao Fan, Lehao Liu*, Tianrong Yang, Yilong Jin, Rongmin Zhou, Mengxuan Zhang, Meicheng Li*, A Thin and Ultrahigh-ionic-conductivity Composite Electrolyte with 3D Aramid Nanofiber Networks towards Ambient-Temperature Lithium Metal Batteries. Advanced Energy Materials DOI: 10.1002/aenm.202403565 (IF：24.7).

[2] Jianan Gu, Yongzheng Zhang*, Yu Shi, Yilong Jin, Hao Chen, Xin Sun, Yanhong Wang, Liang Zhan, Zhiguo Du*, Shubin Yang*, and Meicheng Li*, Heteroatom Immobilization Engineering toward High-Performance Metal Anodes. ACS Nano 2024, 18，25966–25985 (IF：15.8).

[3] Jianan Gu, Yongzheng Zhang*, Bingbing Fan, Yanlong Lv, Yanhong Wang, Ruohan Yu*, and Meicheng Li*, Layer-controlled 2D Sn4P3 via space-confined topochemical transformation for enhanced lithium cycling performance. Nano Research 2024, 1-7 (IF：9.5).

[4] Jianan Gu, Yanlong Lv, Yanhong Wang, Lehao Liu, Meicheng Li*, Reconstructing 2D metallic Sn4P3 with high-conductive interlayer towards high-rate lithium storage, Electrochimica Acta 2024, 480, 143933 (IF：5.4).

[5] Bing Jiang, Gang Zou, Bi Luo, Yan Guo, Jingru Li, Wendi Zhang, Qianxiao Fan, Lehao Liu, Lihua Chu, Qiaobao Zhang*, Meicheng Li*, Enhanced electrochemical performance of lithium-rich layered oxide materials: Exploring advanced coating strategies, Chinese Chemical Letters 2024, 109801 (IF：9.4).

初审：顾佳男、张冬梅

审核：李美成

编辑：李美琪