引言

高能量密度储能系统对于满足电动汽车、消费电子产品、人工智能等领域日益增长的需求至关重要。金属锂因其出色的理论比容量（高达3860 mAhg⁻¹）和最低的氧化还原电位（相对于标准氢电极-3.04 V），成为极具吸引力的负极材料。结合高电压正极，高电压锂金属电池（LMBs）因其能够提供高能量密度而被视为有吸引力的电化学储能系统。

然而，在评估电池的实际能量密度时，需要考虑正负极中的活性材料和非活性材料。在实际应用中，为了实现人工延长的循环寿命，通常会使用大量过量的锂，但这会牺牲能量密度并带来潜在的安全风险。此外，金属锂柔软的特性不可避免地需要笨重的铜集流体支撑。过多的非活性组分显著削弱了锂金属负极的高容量优势。为了提高能量密度和节约资源，减少非活性材料（如集流体）的比例和最大限度地减少锂的使用对于在有限的重量或体积下最大限度地提高电池的可输送能量至关重要。

无负极配置配备轻质电极可能是一个更优的解决方案。然而，在锂受限条件下工作的高电压LMBs也带来了严峻的挑战，特别是活性锂的持续消耗和严重的粉化问题，导致容量快速衰减甚至失效。提高锂沉积/剥离可逆性的质量被认为是增强循环稳定性最重要但尚未满足的需求之一。最有效的策略之一是合理设计集流体。迄今为止，引入高亲锂性物种（如Ag、Mg、Sn、Zn、Ni和In）以及创建对锂具有高亲和力的人工界面（如富F或富N层）已被证明能有效均匀化锂成核并抑制锂枝晶或“死锂”的形成。然而，仅依靠亲锂位点难以适应金属锂在重复沉积/剥离过程中巨大的体积变化，最终导致严重的电极粉化。在锂受限条件下，粉化问题更为突出。在这方面，设计三维导电宿主是空间调节锂沉积/剥离和抑制枝晶生长的有效解决方案。

碳材料具有轻质、电化学稳定性、导电性和可调表面化学等特性，可以被设计成理想的三维宿主。因此，设计具有三维骨架和增强亲锂性的轻质碳宿主，以整合锂负极并获得更高的整体负极容量，有望提升能量密度和可逆性。

基于上述挑战和背景，香港城市大学楼雄文教授团队全面分析了该类电还原催化剂的结构设计原理、金属负载策略、实际电还原性能和复杂的催化机理，通过静电纺丝技术设计了一种轻量化的三维多功能宿主材——Sn@B/N/F-CMFs（锡纳米颗粒嵌入B,N,F共掺杂碳大孔纤维），成功实现了无负极5V级锂金属电池的高效稳定循环，为今后此类电还原催化剂的合理设计提供了思路和指导。相关文章以“Metal-Organic Frameworks Derived Carbon-Supported Metal Electrocatalysts for EnergyRelated Reduction Reactions”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

创新亮点

本研究的核心创新在于设计了一种新型的Sn@B/N/F-CMFs材料作为无负极5V级锂金属电池的轻质功能化宿主。该宿主的设计和性能展现了多方面的创新和优势：

1、独特的结构与组成协同设计

（1）项链状空心纤维:提供高比表面积和丰富的Li⁺传输通道，降低局部电流密度。

（2）三维大孔框架:缓解锂沉积/剥离过程中的体积膨胀，支撑高达40 mAh/cm²的面容量。

（3）Sn纳米颗粒与B,N,F共掺杂碳的协同作用:Sn作为高亲锂位点降低成核势垒，B/N/F掺杂增强碳骨架的亲锂性和机械稳定性。

2、卓越的锂沉积/剥离性能

（1）有效抑制锂枝晶生长，实现平滑致密的锂沉积，即使在高容量下（>40 mAhcm⁻²）。

（2）宿主结构稳定性高，能有效缓冲锂体积变化。

（3）表现出高库仑效率和长循环寿命，电压极化低，反映出优异的可逆性和快速反应动力学。

（4）降低锂成核过电势，促进均匀快速的锂生长。

3、在无负极全电池中的优异表现：

（1）与5V级高电压正极兼容，在低N/P比下仍能实现稳定循环。

（2）全电池表现出改进的反应动力学和倍率性能。

（3）软包电池验证了其实际应用潜力，具有高能量密度和稳定的循环性能。

这些创新亮点共同展示了Sn@B/N/F-CMFs宿主在解决锂金属负极特别是无负极配置中的关键挑战（如体积变化、枝晶生长、低CE和循环稳定性差）方面的有效性，并为构建高性能、高能量密度的5V级锂金属电池提供了新的途径。

图文解析

 图1 Sn@B/N/F-CMFs的制备与表征

 图2 Sn@B/N/F-CMFs的结构表征

 图3 Sn@B/N/F-CMFs的Li电镀/剥离行为

 图4 电化学性能

 图5 反应机理

 图6 5V级LMB的性能

总结与建议

总之，本研究成功设计并制备了一种轻质的Sn@B/N/F-CMFs三维宿主，该宿主通过三重协同增强的亲锂性，用于构建无负极5V级锂金属电池17。基于精心设计的结构，高度亲锂的锡纳米粒子均匀分散在项链状B/N/F掺杂碳纤维的内部空心壳中。

从这项研究的成果来看，以下几点可以作为未来的发展方向或实际应用的建议：

1.推广应用潜力:Sn@B/N/F-CMFs宿主在无负极5V级LMBs中展现出的高性能，特别是软包电池层面的成功演示（包括点亮LED灯、驱动风扇、为智能手机充电等），突显了该材料在提升电池能量密度和循环寿命方面的巨大潜力，为下一代高能量密度电池技术提供了有价值的参考. 建议静电纺丝行业和相关研究机构可以进一步探索类似功能化三维碳材料的制备工艺放大和结构优化，以满足未来电池产业的需求。

2.材料机制深入研究:虽然DFT计算和电化学测试已验证了Sn纳米粒子和B,N,F掺杂碳的亲锂协同效应，但进一步深入研究其在不同电解液体系下的界面稳定性（特别是SEI膜形成与演变）将有助于更全面地理解其长循环稳定性的机制，并指导材料和电解液的协同优化。

3.成本与可扩展性:尽管研究证明了材料的性能优势，但实际应用还需要评估其制备过程的成本效益和工业规模生产的可扩展性. 未来工作可以着重于优化合成路径，降低原材料成本，并开发适合大规模制造的连续生产方法。

4.与不同正极材料的兼容性:本研究成功匹配了5V级LNMO正极未来可以探索Sn@B/N/F-CMFs宿主与其他高能量密度正极材料（如富锂锰基正极等）的兼容性及匹配优化，进一步拓展其应用范围。

5.结构与组分的微调:研究表明，Sn、B、N、F的掺杂量、分布以及碳纤维的形貌、孔隙结构等都会影响材料性能通过精确控制这些参数，有望进一步提升宿主的导电性、亲锂性、机械强度及对体积变化的缓冲能力，从而实现电池性能的突破。

总的来说，Sn@B/N/F-CMFs材料的成功开发代表了无负极锂金属电池负极宿主设计的重要进展。该研究为静电纺丝技术在高性能电池材料领域的应用提供了精彩范例，值得相关领域的师生和企业科研人员深入学习和借鉴。