无负极锂金属电池作为高能量密度储能装置的候选者具有广阔的发展前景；然而，在电池运行过程中仍然面临锂枝晶形成与生长、“死锂”堆积引发电极形状剧烈变化以及固体电解质界面（SEI）不稳定等问题，从而加剧电池失效风险和安全隐患。针对上述挑战，研究人员提出多种策略，包括优化电解质、引入功能添加剂和设计集流体等。其中，负极集流体的设计对于实现均匀、无枝晶的锂沉积至关重要，因为它直接影响沉积锂的均匀性和形态。因此，开发亲锂性集流体，提升锂金属沉积均匀性和优化电解质/电极界面是解决上述问题的主要途径之一。
近日，青岛大学赵慧娟副教授、赵国栋副教授和北京师范大学李林教授团队在期刊《Energy Storage Materials》上，发表了最新研究成果“Tuning current collector interface by highly lithiophilic cross-scale nanonets for anode-free lithium metal battery”。研究者提出一种高度亲锂的跨尺度纳米网络在铜集流体表面的原位构筑策略，通过抑制锂枝晶的形成以实现集流体界面稳定性的增强。
图1：Bare Cu和SnCl2@T-PVDF/Cu集流体表面的锂沉积示意图。
与裸铜（Bare Cu）集流体相比，在铜箔表面构筑的三维跨尺度纳米网既充当“离子再分配器”，也可作为“弹性结构缓冲器”，以实现出色的锂沉积/剥离可逆性和枝晶抑制能力（图1）。此外，其可通过原位合金化反应生成LiSn合金以消除锂枝晶和保证均匀锂沉积，而可能出现的裂纹也可迅速被修复以实现动态的“自修复”过程，从而确保对电解质/电极界面的有效调控和负极的长期稳定。
图2：所构建的SnCl2@T-PVDF跨尺度纳米网的结构表征。
在本工作中，所设计的跨尺度纳米网络通过静电纺丝一步法制备得到，其由氯化锡（SnCl2）锚定的聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米纤维与丰富的次级超细纳米纤维紧密连接而成，与铜集流体集成为一个整体（简称SnCl2@T-PVDF/Cu）。这种独特的跨尺度纳米网结构具有均匀的纳米孔分布、高比表面积和优异的电解质亲和力（图2），可作为适应Li体积变形和调节均匀分布的Li+通量的高表面积保护框架。
图3：铜箔表面所构建的高亲锂性SnCl2@T-PVDF纳米网的作用机制研究。
如图3所示，通过DFT理论计算表明，所构筑跨尺度纳米网的高亲锂性主要来源于SnCl2和PVDF之间所形成Sn-F键的强烈相互作用。同时，SnCl2的LUMO能量低于其他溶剂分子，这表明SnCl2有利于电子填充，并与Li金属表现出更强的反应性，因此在其他溶剂组分之前会被还原。此外，通过XPS和TOF–SIMS测试对所生成SEI层的化学组分进行了分析，进一步验证了SEI层中所富含的LiSn合金和LiF为有效的Li+传导提供连续的通道，从而改善了电解质/电极界面处电子和离子分布的均匀性，对电池性能具有积极影响。
图4：采用不同集流体所组装的Li‖Cu电池中的电化学锂沉积/剥离行为分析。
为了更好地评估铜箔表面所构筑的跨尺度纳米网对锂沉积/剥离行为的调控作用，对不同集流体所组装的Li‖Cu电池进行了电化学性能测试（图4）。与Bare Cu和PVDF/Cu集流体相比，该SnCl2@T-PVDF/Cu集流体表现出更高的还原/氧化峰值电流、更优越的循环稳定性和更小的电压滞后，并通过光学显微镜原位观测技术更加直观地证实了SnCl2@T-PVDF纳米网结构可有效抑制锂枝晶的形成。
图5：采用不同集流体所组装的对称电池中的电化学锂沉积/剥离行为分析。
如图5所示，采用SnCl2@T-PVDF/Cu@Li电极所组装的对称电池表现出优异的长循环稳定性和倍率能力，其电压曲线平坦且过电势低，与Bare Cu@Li电极的严重电压波动和短寿命形成鲜明对比。该测试结果表明SnCl2@T-PVDF纳米网具有出色的锂枝晶抑制能力，进一步证实了所生成的富含LiF/LiSn合金的SEI层在实现均匀的Li+传输和致密沉积方面的优越性。
图6：采用不同集流体所组装的全电池的电化学性能研究。
为进一步验证所构筑SnCl2@T-PVDF/Cu复合电极的潜在应用性，分别将其组装成贫锂负极电池与无锂负极电池进行性能探究，如图6所示。相较于Bare Cu集流体而言，采用SnCl2@T-PVDF/Cu集流体所组装的贫锂电池显示出显著提高的倍率性能和循环耐久性。即使匹配高面载正极（8.0 mg cm−2）时，其在循环300圈后，电池的容量保持率仍可达82.8%。此外，采用SnCl2@T-PVDF/Cu集流体所组装的无锂负极电池（N/P=0）实现了平均库伦效率和容量保持率的显著提升，表明其良好的实际应用前景及其在负极保护方面的高潜力性与可靠性。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104871
作者简介：
赵慧娟，工学博士，副教授，青岛大学特聘教授四层次，硕士生导师。青岛大学先进电化学储能材料与器件研究院核心成员，主要从事新型多孔静电纺丝纳米纤维的结构设计、可控制备与功能开发等方面的研究工作。近年来，以第一作者/通讯作者身份在Nano Lett., Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J., J. Energy. Chem.等刊物上发表SCI论文30余篇，其中ESI 0.1%热点论文2篇，ESI 1%高被引论文4篇，授权国家发明专利5项，授权实用新型专利3项；曾获2021年中国纺织优秀博士学位论文，2023年江苏省科技副总项目；主持/参与国家自然科学基金（面上项目）、国家重点研发计划与国家支撑计划、中国博士后科学基金（面上资助）等科研项目多项。
赵国栋，工学博士，副教授，青岛大学特聘教授四层次，硕士生导师。2024年4月入职青岛大学纺织服装学院，主要从事纤维材料在能源与环境方面的研究工作；截至目前，以第一作者/通讯作者身份在Nano Lett., Inorg. Chem.，J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J., Sep. Purif. Technol等国际材料学Top期刊发表SCI论文30余篇，其中ESI高倍引论文4篇；授权国家发明专利5项；主持/参与国家/山东省/青岛市自然科学基金多项，荣获2024年中国纺织博士学位论文卓越行动计划（优博论文），入选2024年江苏省科技副总和2025年Coatings期刊青年编委。
李林，北京师范大学教授，国家杰出青年基金获得者，中科院百人计划，博士生导师。主要从事高分子材料结构与性能方面的研究，尤其在高分子结晶、锂离子电池隔膜与聚合物电解质等方面取得了系列原创性的科研成果。先后承担国家重大研究计划项目、基金委重点项目、科技部863项目、国家自然科学基金（面上项目）等10余项；在Sci. Adv., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater., Small.等国际知名期刊上发表论文100余篇，获授权专利30余项。
