摘要：该研究提出了一种Li沉积层调控策略，通过使用Li枝晶抑制剂，将“死Li”层转变为可逆的活性Li层，以此来实现安全且长寿命的LIBs。值得注意的是，Gr负极（Gr-SAMn）中仅1%（质量分数）的单原子锰（SAMn）就足以实现显著的性能提升，因此电池的体积能量密

文章背景

在高倍率、低温充电等苛刻条件下，部分锂离子无法嵌入石墨( Gr )颗粒中，会形成枝晶状的锂，造成商业化锂离子电池( LIBs )的容量衰减和严重的安全隐患。

该研究提出了一种Li沉积层调控策略，通过使用Li枝晶抑制剂，将“死Li”层转变为可逆的活性Li层，以此来实现安全且长寿命的LIBs。值得注意的是，Gr负极（Gr-SAMn）中仅1%（质量分数）的单原子锰（SAMn）就足以实现显著的性能提升，因此电池的体积能量密度和质量能量密度基本不受影响。

Gr负极上“死Li”的量可减少90%，从而使软包电池在高倍率和低温条件下的性能得到大幅改善。Gr-SAMn||NCM811软包电池在2C倍率下循环1500次后，容量保持率为86.2%（比原始的Gr||NCM811软包电池高出23.0%），并且该电池甚至可以在5C倍率下充电循环。即使在-20 °C的条件下循环，使用SAMn也能使平均库仑效率从97.95%提高到99.94%。

因此，这一前景广阔的策略为解决Li沉积问题提供了一种全新选择。本文以“A Lithium Dendrite Inhibitor in Graphite Anodes Enabling Fast-Charging and Low-Temperature Lithium-Ion Pouch Cells”为题发表在《Advanced Materials》上，第一作者为Xiaokang Gu，通讯作者为北京航空航天大学宫勇吉。

主要内容

图1.SAMn调控可逆Li镀层的示意图。a）Li在Gr电极上不可逆地沉积和剥离过程的示意图。b）添加了SAMn的Gr电极上Li可逆地沉积和剥离过程的示意图。图中蓝色、绿色、橙色和品红色的球体分别代表C、N、Li和Mn原子。

图2.SAMn及SAMn-Gr电极的表征。a）SAMn的SEM图像。b）SAMn的HAADF-STEM图像。c）Mn箔、MnO2、MnPc和SAMn的Mn K边XANES光谱。d）Mn箔、MnO2、MnPc和SAMn的Mn K边XANES光谱。e）碾压后的Gr电极的SEM图像。f）碾压后的Gr-SAMn电极的SEM图像。g）图e和图f中所示的Gr电极和Gr-SAMn电极的电阻率和电导率。h）与电荷转移相对应的阿伦尼乌斯行为及活化能。i）LiC6和MnN4结构对Li的吸附结构。

图3.半电池的定性和定量分析。a、b）分别以0.5C和1C的倍率进行10次Li沉积循环后，Gr电极的SEM图像。c）以1C的倍率进行10次Li剥离循环后，Gr电极的SEM图像。d、e）分别以0.5C和1C的倍率进行10次Li沉积循环后，Gr-SAMn电极的SEM图像。f）以1C的倍率进行10次Li剥离循环后，Gr-SAMn电极的SEM图像。g）以1C的倍率循环10次后，Gr-SAMn电极Li沉积的Li TOF-SIMS图。h）以1C的倍率循环10次后，Gr电极Li沉积的Li TOF-SIMS图。i）以1C的倍率循环10次后，Gr-SAMn电极Li剥离的Li TOF-SIMS图。j）以1C的倍率循环10次后，Gr电极Li剥离的Li TOF-SIMS图。k）Gr电极和Gr-SAMn电极在1C倍率下循环30次的时间-电压曲线。l）通过TGC测量确定的循环10次后电池中不可逆Li（“死Li”）的分布情况。

图4.软包电池在25 ℃下的性能。a）软包电池的示意图。b）Gr||NCM811和Gr-SAMn||NCM811软包电池在25℃、2C倍率下的长期循环性能。c）平行实验中，Gr||NCM811软包电池和Gr-SAMn||NCM811软包电池的容量保持率。d）Gr||NCM811软包电池和Gr-SAMn||NCM811软包电池在5C充电/1C放电倍率下的长期循环性能。e）SAMn-Gr||NCM811软包电池与参考文献中报道的其他Gr||NCM811软包电池在循环次数和容量保持率方面的比较。f）在2C倍率下循环1500次后，原始Gr的照片。g）在2C倍率下循环1500次后，原始Gr的SEM图像。h）在2C倍率下循环1500次后，Gr-SAMn的数码照片。i）在2C倍率下循环1500次后，Gr-SAMn的SEM图像。

图5. 软包电池的低温性能。a）Gr||NCM811和Gr-SAMn||NCM811软包电池在-20℃、0.2C倍率CC模式下的长期循环性能。b）Gr||NCM811和Gr-SAMn||NCM811软包电池在-20℃、0.5C倍率CC-CV模式下的长期循环性能。c）在-20℃、0.2C倍率下循环20次后，软包电池中Gr电极的C 1s XPS深度剖析图。d）在-20℃、0.2C倍率下循环20次后，软包电池中Gr-SAMn电极的C 1s XPS深度剖析图。e）从图c和图d中得到的C-O和C=O有机物种的含量。f）在-20 ℃、0.2C倍率下循环20次后，原始Gr的数码照片。g）在-20 ℃、0.2C倍率下循环20次后，原始Gr的SEM图像。h）在-20 ℃、0.2C倍率下循环20次后，Gr-SAMn的数码照片。i）在–20 ℃、0.2C倍率下循环20次后，Gr-SAMn的SEM图像。

结论

综上所述，本文创新性地提出在石墨负极中添加单原子材料（SAMn），以在锂离子无法嵌入石墨颗粒的情况下触发其表面的可逆锂沉积。得益于SAMn的优异亲锂性，其能高效吸附Li+并调控锂的沉积/剥离可逆性，从而显著提升高倍率、低温充电等苛刻条件下锂离子电池的库仑效率与循环寿命。实验表明，Gr-SAMn||NCM811软包电池在2C倍率下的平均库仑效率和容量保持率均优于原始Gr||NCM811体系，且在-20°C低温循环中Gr-SAMn电池的库仑效率高达99.94%（原始石墨体系仅97.95%）。该策略通过低成本、可规模化生产的SAMn改性石墨负极，为解决锂沉积问题提供了新思路，具有重要应用潜力。

参考文献

A Lithium Dendrite Inhibitor in Graphite Anodes Enabling Fast-Charging and Low-Temperature Lithium-Ion Pouch Cells.

Adv. Mater. 2025, 2501448

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来源：锂电动态一点号