研究背景
锂金属负极因其超高理论比容量（3860 mAh·g⁻¹）和最低电化学电位（−3.04 V vs. SHE），被公认为下一代高能量密度储能体系的理想核心材料。然而，其无宿主特性导致锂在沉积过程中易形成枝晶或苔藓状结构，引发剧烈体积膨胀、界面失稳及电解液持续分解等问题，严重制约实际应用。尽管当前多种策略（如人工SEI构建、合金化宿主设计及三维集流体调控）通过调节表面化学或电流分布可部分抑制枝晶生长，但这些方法多依赖经验性设计，缺乏从原子尺度出发协同优化界面电场、离子浓度分布与反应动力学的普适性理论框架。
值得关注的是，电负性——表征原子吸引电子能力的基本物理量——尚未被系统开发为锂金属电池界面工程的定向设计参数。理论上，提升表面端基的电负性可增强阳离子吸附、排斥阴离子，从而加速Li⁺去溶剂化过程，均匀化界面离子通量并促进稳定成核。
工作介绍
针对上述问题，西安交通大学郗凯教授团队提出了一种基于电负性调控的界面工程策略。研究团队通过精准设计二维MXene材料的表面端基，构建出高电负性、亲锂性的限域界面，实现了Li⁺通量的高度均匀化，有效抑制空间电荷积累，并促进富Li₂O SEI的原位形成。得益于该设计，锂负极在1600次循环后仍保持99.41%的高库仑效率，且配合磷酸铁锂（LiFePO₄）正极组装的1 Ah软包电池实现了高达238.06 Wh·kg⁻¹的能量密度，展现出优异的快充与循环稳定性能。
该研究成果以“Accelerating Near-Electrode Li⁺ Transport via High-Electronegativity Substrates for Sustainable Fast-Charging Lithium Metal Batteries”为题，发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为西安交通大学化学学院博士生刘春丽，通讯作者为西安交通大学郗凯教授。
内容表述
机理图.(a) Li⁺传质示意图。(b) Ti₃C₂Oₓ和(c) Ti₃C₂Tₓ支架上锂沉积行为的示意图。
图1. 电负性调控端基基团的计算筛选。
(a) Ti₃C₂Oₓ、(b) Ti₃C₂Fₓ、(c) Ti₃C₂Clₓ和(d) Ti₃C₂Brₓ的静电势图。
(e) Ti₃C₂Oₓ、Ti₃C₂Fₓ、Ti₃C₂Clₓ和Ti₃C₂Brₓ的Mulliken电荷分布。
(f, g) Ti₃C₂Oₓ与锂原子的优化吸附构型（侧视图和俯视图）。
(h) 锂吸附后电荷密度差（CDD）分析（侧视图）。
(i) 不同MXene端基基团对锂原子的吸附能（Eₐd）。
(j) 锂原子与Ti₃C₂Oₓ之间键合特性的电子局域函数（ELF）分析。
(k) 原始及端基MXene（Ti₃C₂、Ti₃C₂Oₓ、Ti₃C₂Fₓ、Ti₃C₂Clₓ和Ti₃C₂Brₓ）的态密度（DOS）谱。
图2. 材料制备与结构表征。
(a) 通过选择性刻蚀和表面端基调控从Ti₃AlC₂合成Ti₃C₂Oₓ的示意图。
(b) Ti₃C₂Oₓ的透射电镜（TEM）图像，插图为选区电子衍射（SAED）和高分辨TEM（HRTEM）。
(c) HAADF-TEM图像及元素分布图。
(d) Ti₃C₂Oₓ、Ti₃C₂Tₓ和Ti₃AlC₂的X射线衍射（XRD）图谱。
(e) Ti₃C₂Oₓ纳米片的原子力显微镜（AFM）图像及高度分布。
(f) Ti₃C₂Oₓ和Ti₃C₂Tₓ中Ti-O与C-Ti-Oₓ/C-Ti-OH的组成比例。
(g) Ti₃C₂Oₓ和Ti₃C₂Tₓ的Zeta电位测量结果。
图3. 锂沉积形貌表征。
(a, d) Ti₃C₂Oₓ、(b, e) Ti₃C₂Tₓ和(c, f) 无支架体系的锂沉积电流密度分布有限元模拟。
(g) Ti₃C₂Oₓ和(h) Ti₃C₂Tₓ支架上锂沉积行为的原位光学显微镜图像。
(i) Ti₃C₂Oₓ和(j) Ti₃C₂Tₓ支架在0.25 mA cm⁻²下沉积5分钟后的扫描电镜（SEM）图像。
(k) 锂沉积后Ti₃C₂Oₓ的高分辨冷冻电镜（Cryo-EM）图像及FFT分析。
(l) Ti₃C₂Oₓ（红）和Ti₃C₂Tₓ（蓝）支架中LiO⁻强度随溅射时间的变化，插图为3D TOF-SIMS的LiO⁻分布图。
图4. Ti₃C₂Oₓ支架促进的Li⁺传输。
(a) Ti₃C₂Oₓ@Li 和 Ti₃C₂Tₓ@Li 对称电池的温度依赖性电化学阻抗谱（EIS）。
(b) 两种对称电池中Li⁺通过固体电解质界面（SEI）的传输阻力随温度变化的阿伦尼乌斯拟合曲线。
(c) 两种对称电池中电荷转移过程阻力的阿伦尼乌斯拟合曲线。
(d, e) Li⁺穿过LiF (200) 晶面和Li₂O (111) 晶面的迁移能垒理论计算。
(f) Ti₃C₂Oₓ@Li 和 Ti₃C₂Tₓ@Li 对称电池的塔菲尔极化曲线，反映界面反应动力学差异。
图5. 高稳定的锂沉积/剥离行为。
(a) Li||Ti₃C₂Oₓ和Li||Ti₃C₂Tₓ半电池的循环伏安（CV）曲线。
(b) Ti₃C₂Oₓ和Ti₃C₂Tₓ支架的成核过电位对比。
(c) 基于Aurbach法的库仑效率评估。
(d) 0.5 mA cm⁻²下长循环库仑效率。
(e) 循环10次后锂化支架的表面粗糙度。
(f) 对称电池在1.0 mA cm⁻²下的电压曲线，插图为锂接触角测试。
(g) 本工作与已报道MXene基负极的性能对比。
图6. 全电池电化学性能。
(a, b) Ti₃C₂Oₓ@Li||LFP和Ti₃C₂Tₓ@Li||LFP电池在1 C下的长循环性能（LFP负载量分别为10.0和20.0 mg cm⁻²）。
(c) 高负载LFP电池的倍率性能。
(d) 充放电过程中弛豫时间分布（DRT）分析。
(e) 高负载电池与文献性能对比。
(f) Ti₃C₂Oₓ@Li||NCM811和Ti₃C₂Tₓ@Li||NCM811电池的长循环性能。
(g) NCM811电池的倍率性能。
(h, i) Ti₃C₂Oₓ@Li||LFP软包电池在0.1 C和0.2 C下的循环性能。
核心结论
- 电负性工程化阳离子传输机制：引入了高电负性的含氧基团，诱导动态界面局部电场重构，实现锂离子定向富集。
- 电负性驱动稳定界面：形成了以氧化锂主导的SEI， MXene||Cu半电池实现了1600次长循环，库伦效率达99.41%。Ti₃C₂Oₓ@Li对称电池表现出超过 1600 小时的出色长期稳定性。
- 优异的快充性能和高负载兼容性：支持5 C快充（LiFePO₄体系3000次循环），兼容多元正极材料（NCM811体系750次循环），磷酸铁锂1 Ah软包电池在2.5 g Ah−1贫电解液条件下，能量密度达238.06 Wh kg−1。
文献信息
Accelerating Near-Electrode Li+ Transport via High-Electronegativity Substrates for Sustainable Fast-Charging Lithium Metal Batteries. Adv. Funct. Mater. 2025, e24392, https://doi.org/10.1002/adfm.202524392.
致谢
作者衷心感谢西安交通大学储能技术产教融合国家创新平台以及西安交通大学仪器分析中心提供的支持。同时，作者特别感谢张传芳教授、薛伟江教授、张淼教授、刘洋洋教授、徐谢宇等老师对本工作的悉心指导和帮助。
作者简介
刘春丽（第一作者），西安交通大学化学学院博士生。入选首届中国科协青年人才托举工程博士生专项计划。研究方向为锂金属电池负极界面稳定性研究。以第一作者发表SCI论文7篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）, Adv. Funct. Mater， Energy Storage Mater.等。其研究成果中有热点论文2篇（前0.1%）高被引论文2篇（前1%）。曾获研究生国家奖学金、江苏省专业学位硕士学位论文奖、第八届工程化科学国际会议优秀口头报告奖以及江苏省高等学校科学技术研究成果奖。
郗凯，西安交通大学教授，国家级青年人才项目入选者，教育部“储能材料与器件工程研究中心”副主任，陕西省“储能材料与化学高等学校工程研究中心”主任。分别获得剑桥大学材料科学与冶金学博士、南开大学应用化学硕士和西安交通大学机械工程及自动化学士学位。长期致力于基于多电子反应构建高比能二次电池，围绕“衰减机制解析—材料体系突破—修复与再生利用”开展电池全生命周期系统研究。在储能电池领域，以第一/通讯作者在SCI期刊发表论文60余篇（其中中科院一区论文46篇，ESI高被引18篇），SCI他引逾12,000次，H因子63（Google Scholar，2025年10月）。主持国家自然科学基金“超越传统电池体系”重大研究计划培育项目及面上项目，参与欧盟“石墨烯旗舰计划”和英国法拉第研究所“锂硫电池加速器（LiSTAR）”等国际项目。积极推动科研成果转化，已获多项PCT国际专利与中国发明专利。曾荣获“剑桥企业家协会”创业大赛最高奖、全英华人创业大赛冠军，并在伦敦接受中央电视台《新闻30分》专访；荣获陶氏化学可持续发展创新奖（全球唯一大奖、排名第一）及“春晖杯”中国留学人员创新创业大赛优胜奖等多项荣誉。
团队主页：https://x-group-site.webflow.io/
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