一、研究背景
锂金属负极具有极高的理论比容量（3860 mAh g-1）与极低的氧化还原电位（-3.04 V vs. SHE），在下一代高能量密度储能体系中展现出不可替代的应用前景。然而，锂金属负极的实际应用仍面临严峻挑战，其中最为突出的问题是锂枝晶的不可控生长。枝晶的形成不仅会降低库仑效率，加速容量衰减，还可能刺穿隔膜引发内部短路，带来严重的安全隐患。研究表明，Li3N兼具高离子电导率与高机械强度，可同时实现快速锂离子传输与物理抑制枝晶穿透的双重功能。然而，从常见添加剂LiNO3到目标产物Li3N的转化过程存在较高的反应能垒，这成为构筑此类高性能SEI的主要障碍。
二、成果简介
为此，本研究提出一种界面催化策略，通过在集流体上引入氮掺杂碳负载的金属单原子催化剂（M/NC，M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn），显著降低LiNO3分解的反应能垒，从而实现了富Li3N SEI的原位构筑，使锂金属负极的循环寿命得到显著提升。该成果以“Li3N-Enriched Solid Electrolyte Interphase Derived From Interfacial Catalysis Toward High-Performance Lithium Metal Batteries”为题发表在Advanced Materials上。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.72588
三、核心创新点
1.通过引入M/NC单原子催化剂，在电解液/电极界面实现了LiNO3的原位催化分解，显著促进了Li3N的生成，进而构筑出具有清晰分层结构的SEI：其内层以高模量无机组分为主，提供优异的机械强度；外层则富含柔性有机物，赋予界面良好的韧性。
2.通过CV定量评估LiNO3在电化学界面上的分解程度，Co/NC催化剂表现出最显著的氧化还原峰，对应最高的电化学活性。进一步借助FMO理论分析表明，Co/NC与LiNO3分解的关键中间体（LiNO）之间具有最小的HOMO-LUMO gap，表明其具有最优的电子转移能力和反应驱动力。
3.锂金属沉积/剥离的可逆性显著提升。Co/NC@Cu//Li非对称电池在0.5 mA cm-2，0.5 mAh cm-2条件下稳定循环1500圈（3300 h）；对称电池在1 mA cm-2，1 mAh cm-2条件下稳定循环1000圈（2500 h）。
- 数据概览
图1.M/NC催化剂形貌和结构表征
图2.电化学性能表征
图3. SEI层表征
图4.锂沉积行为研究
图5.理论计算结果
图6.全电池电化学性能评估
五、成果启示
为攻克锂金属负极中SEI不稳定及枝晶生长难题，本研究开发了一种基于单原子催化剂的界面调控技术。通过利用Co/NC催化剂定向加速LiNO3向Li3N的转化，实现了对SEI化学组成与微观结构的精准控制。基于FMO理论的分析表明，催化活性与中间体LiNO的LUMO能级密切相关：Co/NC与LiNO之间最小的HOMO-LUMO gap赋予了其最低的电子注入势垒，从而有效催化了高能垒N=O键的断裂，加速了Li3N的动力学生成过程。该工作突出了界面催化在下一代SEI设计中的关键作用，为高性能锂金属电池的实用化进程提供了有效的调控策略。
