宫勇吉教授团队在研究二维材料用于调控锂金属沉积行为的作用机制方面取得重要进展！成果在国际顶级学术期刊《Advanced Energy Materials》上发表，天目山实验室为第一完成单位。

Wiley旗下顶级学术期刊《Advanced Energy Materials》（影响因子27.8）2023年12月刊登了天目山实验室为第一单位的最新研究成果“Thickness-Dependence of 2D g-C3N4 Artificial Interface Layers on Lithium Metal Deposition”。这一成果通过在铜箔表面构筑不同厚度的二维g-C3N4人工界面层，建立二维材料人工SEI的厚度与锂金属的沉积行为之间的相关性，为解决锂金属电池中锂枝晶生长问题、开发新一代储能器件提供有力的支撑。天目山实验室翟朋博特聘研究员为论文第一作者，天目山实验室/北京航空航天大学宫勇吉教授为通讯作者。

电动汽车和智能电网领域对可持续清洁能源的需求不断增长，极大地推动了锂离子电池以外的高比能电池系统的发展。在众多候选电池体系中，锂金属电池因其在能量密度方面的优势被认为是最有前景的选择。然而，锂金属的超高电化学活性导致其一旦接触电解质就会立即发生化学反应，形成成分复杂、结构不稳定的天然固体电解质中间相（SEI）层；充电/放电过程中不均匀的Li沉积和无限大的体积变化导致原生SEI的连续破损/重整，使电解质迅速消耗。最终，库仑效率急剧下降，锂枝晶不受控制地生长，威胁到锂金属电池的寿命和安全。设计一种具有高均匀性和优异稳定性的人工SEI，以保护均匀的锂沉积/剥离，并确保锂金属负极的高可逆性是解决上述问题的关键。使用物理化学性质可调的二维（2D）材料构建人工界面层是制备高性能锂金属负极的一种有效策略。然而，二维材料在SEI形成过程中的结构演变以及厚度对电荷传输的影响仍有待探究。

为了解决这一科学问题，天目山实验室翟朋博研究员、宫勇吉教授团队联合西北工业大学王天帅副教授团队，利用化学气相沉积法制备了厚度可控的（1-100 nm）g-C3N4层，并将其用于铜箔集流体的改性，详细探究了g-C3N4层的厚度对电子/离子传输及锂金属沉积行为的影响。

首先，以双氰胺为前驱体，采用化学气相沉积（CVD）的方法在硅片表面均匀生长g-C3N4层。通过改变反应时间即可实现g-C3N4层在1-100nm范围内的可控调节（图1a-b）。随后利用PMMA辅助转移法，将不同厚度的g-C3N4层转移至铜箔表面，获得工作电极。本项研究中，挑选了三种厚度（2nm， 10nm，50nm）的g-C3N4层作为研究对象，所修饰的工作电极分别标注为t-CN/Cu，M-CN/Cu和T-CN/Cu。相关形貌及成分表征结果显示，g-C3N4层能够均匀、紧密地负载于铜箔表面。

图1. 不同厚度g-C3N4层修饰的铜箔电极的制备及相关结构表征

如图2所示，由于亲锂性较差，铜箔表面锂金属形核不均匀，锂枝晶大量生长；薄层g-C3N4修饰的铜箔（t-CN/Cu）虽然形核过电势有所降低，但是t-CN很快破损分解，导致锂金属在后续沉积过程中以枝晶状生长；中等厚度g-C3N4层能够持续诱导锂金属在M-CN/Cu电极表面均匀无枝晶沉积；较厚的g-C3N4层同时阻碍锂离子和电子的传输，导致锂金属无法在M-CN/Cu表面进行沉积。

图2. 不同工作电极表面锂金属沉积形貌表征

深度刻蚀XPS结果（图3）显示，铜箔电极表面SEI以有机成分及Li2CO3为主，厚度较厚且结构分布不均匀；相比之下，M-CN层修饰的铜箔表面SEI中氮化锂的含量显著上升，厚度明显减小，形成了g-C3N4/Li3N复合层主导的SEI，这种SEI结构上的变化也带来了锂金属沉积形貌及电化学性能方面的改善。

图3. 纯铜箔及M-CN/Cu电极表面SEI结构及成分表征

M-CN/Cu电极在半电池、对称电极及与磷酸铁锂正极匹配的全电池中，均展现出明显改善的循环稳定性（图4-5）。

图4.使用不同的工作电极组装的半电池及对称电池性能汇总

图5. 使用不同负极匹配磷酸铁锂正极所得的全电池性能汇总

第一性原理计算结果显示，薄层的g-C3N4受铜集流体电子注入的影响，无法起到电子绝缘的作用。随着厚度的增加，g-C3N4层阻止电子隧穿的能力提升，结构稳定性逐渐提升；然而，锂离子的扩散性能与g-C3N4层数的增加呈现反比关系，即锂离子的扩散速率随着g-C3N4层厚度的增加而降低。因此，想要实现均匀且稳定的锂金属沉积，必须将g-C3N4控制在合适的厚度。

图6. 第一性原理计算验证电子/锂离子在不同厚度g-C3N4层中的传输行为

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302730