近期，材料科学与工程学院刘帅副教授课题组在高性能锂金属电池负极、固态电解质以及正极研究方面取得系列进展，相关成果“Mg-Li-Cu alloy anode for highly reversible lithium metal batteries”、“Vinylidene carbonate drived ultra-stable artificial SEI for lithium metal anode with ultra-long life”、“Ti3C2Tx MXene enhanced PEO/SN-based solid electrolyte for high-performance Li metal battery”以及“Ti3C2Tx MXene enhanced high-performance LiFePO4 cathode for all-solid-state lithium battery”分别在Journal of Magnesium and Alloys（IF=15.8）、Chemical Engineering Journal（IF=13.4）、Journal of Materials Science & Technology×2（IF=11.2）材料科学顶尖期刊发表，中国海洋大学材料科学与工程学院为第一通讯单位。
锂离子电池已被广泛应用于多种便携式电子产品、新能源汽车以及各种大型储能系统。然而，锂离子电池能量密度的进一步提升被其固有的局限性所限制。锂金属具有高理论比容量（3860 mAh g−1）和低电极电位（−3.04 V vs标准氢电极），因此锂金属电池有望大幅提升电动汽车与电子产品的续航能力。然而，锂金属电池面临的多尺度失效问题（电极体积涨缩、界面重构、枝晶渗透等）会极大降低电池寿命，严重阻碍了其产业化进程。针对上述问题，刘帅副教授课题组与南开大学、山东大学、青岛大学等单位从锂金属电池的负极、电解质以及正极多个维度提升锂金属电池循环稳定性与安全性:
1. 通过构建高亲锂性镁锂铜合金（Mg-Li-Cu）来稳定锂金属电池负极：先通过机械压制法制备锂镁合金，然后加热熔融锂镁合金，衬底上的铜会自扩散进入熔融状态的锂镁合金中形成Mg-Li-Cu。Mg-Li-Cu可直接作为锂金属电池负极来增强循环稳定性，它具有高亲锂性和大量的成核位点，可抑制锂枝晶的生长。Mg-Li-Cu负极可避免与电解质发生副反应，且可以提供相对高的Li+扩散系数以确保优异的电荷转移动力学。值得注意的是，在1 mA cm-2和1 mAh cm-2条件下，Mg-Li-Cu对称电池寿命超过9000 h。与磷酸铁锂正极匹配组装的全电池（LFP || Mg-Li-Cu）在1 C下循环500次后，比容量为148.2 mAh g-1，容量保持率为96.4 %。2021级材料与化工专业硕士生李新宾为本文第一作者（Journal of Magnesium and Alloys, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jma.2024.05.024）。
图1. 锂在Mg-Li-Cu合金表面的吸附构型、电荷密度差以及沉积行为
2. 为了构筑稳定的电极/电解质界面，设计了一种由Ti3C2Tx增强的PEO/SN基固态聚合物电解质，其具有高离子电导率（2.17 × 10−3 S cm−1，35℃）。由于电解质中游离的SN分子被Ti3C2Tx通过氢键有效锚定，因此可以抑制其对锂金属负极的腐蚀；同时，由于在电解质中引入了竞争性配位诱导效应，Li+的配位环境被削弱，从而实现了Li+的高效传导；此外，通过调控Ti3C2Tx的比例来改善电解质的力学性能，抑制了锂枝晶的生长。因此，所组装的Li||Li对称电池可在28℃下稳定循环超过8000 h。LiFePO4||Li全电池表现出优异的循环稳定性，300次循环后的容量保持率为99.3%，可逆比容量达到151.7 mAh g−1。这项工作不仅提出了抑制SN腐蚀锂金属负极的新思路，而且为高性能固态电解质的设计提供了一种简单易行且可扩展的策略。2022级材料与化工专业硕士生徐昊为本文第一作者（Journal of Materials Science & Technology, 219 (2025) 101–112）。
图2. 高性能固态聚合物电解质的制备流程及Ti3C2Tx的增强机制
3. 为了提高全固态锂金属电池的倍率性能和低温性能，将Ti3C2Tx MXene纳米片（NSs）引入到LiFePO4正极中。由于Ti3C2Tx NSs具有高导电性，因此可以构建连续的电子导电网络；同时，Ti3C2Tx NSs的含氧官能团削弱了正极活性物质中Li+的配位环境，从而构建了高效的离子逾渗网络。因此，优化后的正极实现了离子电导率和电子电导率方面的双提升。以PEO为电解质组装的全固态LiFePO4||Li全电池在高倍率10 C下的初始放电比容量为91.5 mAh g−1，在1 C下循环1000次后的可逆比容量为155.1 mAh g−1，容量保持率为93.8%。此外，这种电池在高负载、室温和低温条件下仍具有优异的性能。这项工作为高性能全固态锂金属电池的设计提供了一种具备一定前景的策略。2022级材料与化工专业硕士生徐昊为本文第一作者（Journal of Materials Science & Technology, 223 (2025) 104–113.）。
图3. Ti3C2Tx构筑的正极中连续电子传导网络和高效离子逾渗网络
4. 人工SEI是影响锂金属负极稳定性的关键因素。然而，锂的不受控制的电沉积和循环过程中SEI的不规则形成仍然是一个重大挑战，这会导致电池过早失效和安全风险。刘帅课题组提出了一种用于锂金属的人工SEI，具有均匀的锂离子传输和优异的机械强度，以解决这些关键问题。VC的加入向SEI中引入了强极性基团，改变了电子传输动力学，并促进了双（三氟甲磺酰）亚胺锂（LiTFSI）的裂解。因此，形成了富含LiF的SEI，促进了快速的锂离子传输并抑制了锂枝晶的生长。LLZTO被添加到SEI中以改善机械性能，有效减少锂枝晶生长的风险。因此，采用这种人工SEI修饰的锂对称电池能够在超高电流密度（25 mA cm−2，25 mAh cm−2）下稳定循环超过14000小时，这也是目前报道的锂金属电池在高电流密度（25 mA cm−2）下的最长循环时间。使用磷酸铁锂（LFP）作为正极组装的全电池在低温条件（−2°C）下以0.5 C进行1000次充放电循环后，仍保持99%的容量保持率。2022级材料与化工专业硕士生丁凡为本文第一作者（Chemical Engineering Journal, 518 (2025) 164411）。
图4. 碳酸亚乙烯酯驱动的高稳定人工SEI抑制枝晶机理
刘帅副教授主要从事新型非晶态材料设计及其在新能源与海工装备中的应用，自2020年以青年英才工程第二层次引入学校以来，在国家自然科学基金、山东省海外科技人才、山东省自然科学基金、中国海洋大学青年英才工程等项目的资助下，作为通讯作者在Journal of Magnesium and Alloys（2025），Journal of Materials Science & Technology（2025），Journal of Materials Science & Technology（2025），Chemical Engineering Journal（2025），Rare Metals (2025)，Journal of Colloid And Interface Science（2024），Chemical Engineering Journal（2023），Chemical Engineering Journal（2021）等高水平期刊发表SCI论文23篇（顶尖与权威期刊论文19篇），获2022山东省自然科学二等奖，作国际学术会议邀请报告4次、口头报告3次。在教学方面，主持中国海洋大学本科教育教学研究项目2项、中国海洋大学专业学位研究生教学案例库建设项目1项，发表教学论文2篇，获评中国海洋大学优秀本科毕业论文指导教师。
课题组合影
文/图：张春燕
