隨著電動汽車和可再生能源儲能需求激增，鋰金屬電池（LMBs）因超高理論比容量（3860 mAh g?1）和低氧化還原電位（-3.04 V）成為新一代儲能技術的關鍵候選者。然而，傳統(tǒng)鋰金屬電池需配置超量鋰（>10倍理論值）以補償副反應造成的損耗，反而加速電解液分解并引發(fā)枝晶生長、界面不穩(wěn)定和無限體積膨脹問題。無負極設計（AFLMBs）雖能提升能量密度，卻因缺乏鋰補充機制導致容量驟降。低負/正極容量比（N/P < 3）被視為平衡方案，但其嚴苛的鋰存量限制往往引發(fā)百次循環(huán)內(nèi)的快速失效，亟需兼顧鋰利用率和界面穩(wěn)定性的創(chuàng)新策略。

電子科技大學YanYichao、晏超貽副研究員、胡音副研究員合作在《Advanced Functional Materials》發(fā)表研究成果，通過分子工程設計出聚芳醚丁腈（PEN）基三維納米纖維（NF）框架。該材料兼具親鋰氰基（-CN）和磺酸基（-SO??），通過三重協(xié)同機制——離子通量均質化、物理限域沉積、優(yōu)化SEI組分——實現(xiàn)革命性突破：（1）對稱電池在8 mA cm?2下穩(wěn)定循環(huán)超2500小時；（2）Li-S全電池（N/P≈3）在0.5C倍率下550次循環(huán)容量保持率92.9%；（3）軟包電池（硫載量135 mg）在1C下60次循環(huán)后仍保持814.3 mAh g?1；該設計在LiFePO?和NCM811體系同樣有效，為高能電池實用化提供新范式。

從分子設計到性能驗證

圖1c-e揭示了PEN框架的作用機制：氰基通過強配位作用（吸附能-3.83 eV）引導鋰離子均勻成核，磺酸基通過靜電富集（吸附能-5.32 eV）提升界面鋰離子濃度。電紡絲構建的納米纖維網(wǎng)絡（直徑≈170 nm）緊密包覆集流體，形成物理屏障抑制枝晶（圖1e）。

圖1 a) 過量鋰金屬電池，b) 無負極鋰金屬電池，c) 低負/正容量比（N/P）鋰金屬電池，d) PEN分子結構及其與Li?的官能團相互作用，e) NF-Cu表面的鋰沉積行為。

圖2a-f通過譜學與模擬驗證材料特性：核磁共振（NMR）和EDS圖譜證實PEN成功合成（圖2a-b）；FTIR顯示鋰鹽添加后-SO??峰藍移（1050→1023 cm?1），表明與鋰離子強相互作用（圖2c）；熱重分析證明NF層熱分解溫度＞350°C，滿足高溫應用需求（圖2d）。密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)，鋰離子在聚合物鏈內(nèi)遷移能壘（1.78 eV）低于鏈間路徑，促進均勻沉積（圖2e-f）。

圖2 a) PEN的核磁共振譜，b) NF的EDS元素分布圖，c) PEO、PEN和NF的紅外光譜，d) PEO、PEN和NF的熱分解曲線，e) Li?在鏈內(nèi)和鏈間的遷移路徑示意圖，f) Li?遷移能壘的理論計算。

圖3a-e結合實驗與模擬揭示沉積行為：SEM顯示NF-Cu在10 mAh cm?2沉積量下厚度（60 μm）顯著低于裸銅（84 μm），且密度達理論值81%（裸銅僅58%）（圖3a）。有限元分析證實：NF層使鋰離子濃度梯度降低3倍，電流密度分布均勻（圖3c,e），而裸銅界面出現(xiàn)離子耗竭區(qū)，誘發(fā)枝晶（圖3b,d）。

圖3 a) 裸銅（bare-Cu）和NF-Cu在0.5 mA cm?2電流密度下沉積0.5、2、5、10 mAh cm?2鋰的表面與截面形貌，b,c) 200秒時(b,d)裸銅與(c,e)NF-Cu的鋰離子濃度分布，d,e) 對應電極的電流密度矢量分布。

邁向產(chǎn)業(yè)化應用

該研究通過聚芳醚丁腈的分子設計與三維架構協(xié)同，為解決鋰金屬負極界面難題提供新路徑。納米纖維框架兼具機械強韌性與功能基團調控能力，在低N/P比（<3）、貧電解液、高載量條件下實現(xiàn)超長循環(huán)穩(wěn)定性，且工藝可擴展。團隊將進一步探索該材料在大面積軟包電池中的集成方案，加速高能量密度（＞500 Wh kg?1）鋰金屬電池的商業(yè)化進程。

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