高电压锂金属电池（LMBs）具有锂负极和高电压正极等优点，能够提供高能量密度，被认为是一种有吸引力的电化学储能系统。在实际应用中，为实现人为延长的循环寿命，常常使用过量的锂，不仅牺牲了能量密度，还带来了潜在的安全风险。
（1）高电压LMBs在锂受限条件下工作时，会面临活性锂的持续耗竭和严重的粉碎问题，导致容量迅速衰减甚至失效。
（2）锂沉积/剥离过程的可逆性直接影响电池的循环寿命和容量保持率，因此实现/剥离的可逆性被认为是增强循环稳定性的一个重要需求。目前研究，仅依靠亲锂位点难以适应金属锂在反复沉积/剥离过程中产生的大体积变化，最终导致严重的电极粉碎。
基于此，
香港城市大学楼雄文教授课题组
设计了一种项链状B、N、F共掺杂碳大孔纤维（Sn@B/N/F-CMFs），这种结构具有三维（3D）多孔的框架，为锂金属的均匀沉积和体积膨胀提供了充足的空间。通过B、N、F元素的共掺杂，丰富了碳材料表面的官能团，增强了其亲锂性，有利于锂的均匀成核和生长。同时将Sn纳米颗粒嵌入到碳纤维的内部壳层中，这些高亲锂性的Sn纳米颗粒可以降低锂的成核势垒，促进锂在纤维内外表面的均匀沉积。
（1）制备得到的锂电池实现了超过40 mAh cm-2的高面积容量，在锂金属电池中是一个非常高的水平，表明该材料能够有效地承载大量的锂。此外，所制备锂电池具有优异的循环稳定性，在碳酸酯基电解液中，Sn@B/N/F-CMFs能够实现长达1700 h的稳定锂沉积/剥离行为，即使在高电流密度和高面积容量条件下也能保持良好的可逆性。
（2）通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Sn@B/N/F-CMFs中各组分在锂沉积过程中的功能作用，如Sn纳米颗粒与锂原子之间的强结合能，以及B/N/F共掺杂碳与锂原子的相互作用。通过一系列电化学测试和表征手段证实，Sn@B/N/F-CMFs的优异性能和结构稳定性。
首先，作者制备了平均边长约为1.3 μm的均匀固体ZnSn(OH)
6
立方体。然后，通过NaOH刻蚀形成中空立方体。接着，在二甲基甲酰胺（DMF）溶液中将中空立方体与B/F-PAN混合，通过静电纺丝自组装成项链状纤维，即ZnSn@B/F-PAN。最后，在Ar气氛下热处理，得到嵌入Sn纳米颗粒的B、N、F共掺杂空心碳纤维，即Sn@B/N/F-CMFs。热重分析、拉曼光谱和N
2
吸附/脱附测试表明，Sn@B/N/F-CMFs具有多孔结构和较高的比表面积，有利于Li
+
离子的传输和反应动力学的加速。热处理后，材料的机械柔韧性也得到增强。
图1. Sn@B/N/F-CMFs的制备示意图及ZnSn(OH)
6
的形貌和元素分布
图2. Sn@B/N/F-CMFs的形貌、结构和化学状态
在1 mA cm
-2
的电流密度下，锂在Sn@B/N/F-CMFs上成核生长，2 mAh cm
-2
时未见枝晶，4 mAh cm
-2
时部分覆盖电极。8 mAh cm
-2
时表面光滑，20 mAh cm
-2
和40 mAh cm
-2
时也无枝晶，与B/N/F-CMFs和N-CMFs的粗糙形貌不同。充电至1.0 V时，沉积锂可逆剥离，结构保持良好，展现出高可逆性和结构稳定性。Sn@B/N/F-CMFs的优异性能得益于B、N、F共掺杂碳和Sn纳米颗粒的协同作用，降低了成核势垒，提供了均匀成核位点，适应体积变化，并诱导形成稳定固体电解质界面，减轻电解液消耗。
图3.不同容量下锂沉积/剥离的电压曲线和形貌变化
在1 mAh cm
-2
和1 mAh cm
-2
条件下，Sn@B/N/F-CMFs经650个循环后仍稳定，CE达99.2%，优于N-CMFs和B/N/F-CMFs。在更高电流密度下，该基底也展现出高可逆性，且在实现5 mAh cm
-2
的高面积容量时，能保持超过1700 h的稳定性能，表明其能有效抑制锂枝晶形成，提升无负极锂金属电池性能。
图4.不同基底的库仑效率、充放电曲线及倍率性能
图5.锂成核过电位及形貌变化
在低锂用量、低负/正极容量比和高正极质量负载量条件下，Sn@B/N/F-CMFs-Li表现出良好的循环稳定性和高能量密度。对比N-CMFs-Li和B/N/F-CMFs-Li，Sn@B/N/F-CMFs-Li全电池在0.5 C下160个循环后仍能保持90%的初始容量，而其他两种电池分别在22和50个循环后迅速衰减。此外，Sn@B/N/F-CMFs-Li全电池在不同负/正极容量比下均展现出优越的循环稳定性和高倍率性能。当5V-LNMO负载增加到13.5 mg cm
⁻²
，负/正极容量比降低到2时，Sn@B/N/F-CMFs-Li全电池在90个循环后仍能保持81.5%的容量。在软包电池测试中，Sn@B/N/F-CMFs-Li||5V-LNMO软包电池在0.5 C下120个循环后容量为113 mAh g
⁻¹
，平均CE为99.58%，能量密度可达494 Wh kg
⁻¹
。
图6.无负极5 V电池的结构、性能及实际应用.
Anchoring Sn Nanoparticles in Necklace-Like B, N, F-Doped Carbon Fibers Enables Anode-Less 5 V-Class Li-Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed., 2025,
https://doi.org/10.1002/anie.202423454.
楼雄文，香港城市大学担任讲座教授，新加坡国家科学院院士和新加坡工程院院士，欧洲工程院院士。主要研究能源应用的纳米结构材料的合成，包括电池、电催化和光催化。目前担任Science Advances的副主编和Chemical Communications的副主编。
更多信息详见：https://www.cityu.edu.hk/chem/people/academic-staff/davidlou.
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