无负极锂金属电池凭借极致的能量密度，成为下一代高性能储能器件的核心发展方向。然而商用铜集流体固有亲锂性孱弱的短板，极易诱发锂枝晶无序生长、死锂持续累积等界面失效问题，大幅掣肘电池循环寿命与规模化实用进程。
立足行业技术瓶颈，清华深研院曹一丹团队于《Advanced Energy Materials》刊发创新性研究成果，匠心打造电沉积-银浸渍-高温碳化简易三步制备体系，在铜箔基底上成功构筑氧化铈基碳复合三维薄膜（CAC@Cu）。
研究突破传统阳离子置换改性范式，原创氧空位填充锚定单原子银掺杂机制，依托精准的原子级界面调控，显著赋能基底亲锂特性、加速锂离子界面传输，实现锂金属均匀规整沉积，同步构筑高稳定性SEI界面膜。该改性技术兼顾优异电化学性能与工业化适配优势，为高性能无负极锂金属电池的产业化革新开辟了全新路径。
一、原子修饰机理与锂沉积行为差异
团队依托球差校正HAADF-STEM、SEM精准溯源材料结构演化规律与锂沉积行为机制。
图a直观展示浸渍银、煅烧诱导原子重排全过程：初始氧化铈晶格存在随机无序氧空位，银原子以空位填充方式嵌入后，高温热处理驱动晶格重构，生成周期性规整氧空位，同时抑制银原子团聚，形成强电子耦合界面；图b、c分别对比裸铜、CAC改性铜的锂沉积行为：裸铜亲锂位点稀少，锂孤立成核、枝晶肆意生长，伴随大量死锂；CAC三维纳米片提供均匀连续亲锂位点，锂沿片层横向连续致密铺展，无枝晶、无死锂产生。
二、CAC@Cu制备工艺与基础物性表征
本研究采用工艺温和、可控性强的三步改性策略制备CAC@Cu复合集流体：先通过电沉积技术在铜箔表面原位生长氧化铈纳米片，再经高氯酸银溶液浸渍实现银单原子精准锚定，最后通过酚醛树脂包覆与高温碳化完成功能复合改性。研究整合SEM、TEM、XRD、拉曼光谱、XPS多种表征手段，全方位验证材料微观形貌、元素分布与物相结构。
（a）完整三步制备工艺：铜箔电沉积氧化铈纳米片→高氯酸银溶液浸渍锚定单原子银→酚醛树脂包覆高温碳化；（b）SEM与元素mapping证实Ce、Ag、C、N全组分均匀分布；（c-d）透射电镜与高分辨TEM观测20nm超薄氧化铈纳米片，仅出现氧化铈晶格条纹，无金属银颗粒衍射；（e）XRD图谱仅匹配立方氧化铈特征峰，无银晶相信号；（f）拉曼光谱同时检出碳D/G缺陷峰与氧化铈氧空位特征振动；（g） XPS Ce 3d、Ag 3d谱线证明银成功嵌入晶格并诱导大量Ce³+，直接佐证氧空位大量生成。
三、多尺度原子级表征解析空位锚定机制
为深度揭示原创掺杂机制的微观本质，团队依托EPR、EELS、球差校正STEM、同步辐射XAFS开展多尺度、原子级精准表征。
（a）电子顺磁共振EPR图谱显示浸渍银后氧空位特征峰强度显著下降，证明银原子占据氧空位而非置换铈晶格；（b）O1s XPS定量对比纯氧化铈与CAC样品空位占比，直观验证空位被银填充；（c）EELS铈价态谱峰偏移证明Ce⁴+被还原生成Ce³+；（d-g）球差HAADF-STEM可直接观测孤立银原子位点，纯氧化铈晶格排布规整，CAC样品出现周期性晶格畸变，形成有序氧空位阵列；（h-m）同步辐射XANES、小波变换、径向分布函数证实银原子形成Ag-O、Ag-Ce配位键，完整阐明区别于传统阳离子置换的“空位填充”全新原子掺杂机制。
四、电化学性能测试：动力学与长循环性能全面升级
（a）首次锂沉积极化曲线：裸铜成核过电位高达121mV，CAC仅23mV，亲锂性能大幅提升；（b）塔菲尔曲线显示CAC交换电流密度提升5倍以上，界面动力学显著加速；（c）锂跨SEI膜传输活化能由77.78降至55.36 kJ/mol；（d）多圈阻抗测试CAC界面阻抗长期稳定无飙升；（e-f）常规、高负载电流下半电池库仑效率稳定维持99%以上；（g）长效Aurbach效率测试验证锂沉积超高可逆性；（h）近年文献集流体性能雷达对标，本体系循环寿命、库仑效率全部领先同类改性方案。
五、锂沉积形貌与双层SEI界面结构解析
团队借助SEM、TOF-SIMS三维元素成像、XPS深度刻蚀剖析，深度解构两类集流体的锂沉积形貌与SEI界面结构差异。
（a-b）低容量沉积SEM图：裸铜表面锂呈孤立球状团簇，CAC表面生成连续花瓣状致密镀层；（c）TOF-SIMS三维元素分布直观观测SE膜内LiF、Li₂无机富集区域；（d-g） XPS深度剖析两类集流体SEI组分差异，裸铜SE以易破损有机相为主，CAC构建弹性有机外层+高导电无机内层复合钝化膜；（h-i）机理示意图解释界面差异根源，有序空位与单原子银协同诱导稳定、不易断裂的SE保护层。
六、主流正极适配：全电池性能验证产业化潜力
为验证改性策略的普适性与产业化落地潜力，研究选取LFP、NCM811两大商用主流正极材料，搭建硬币电池与软包电池多级体系开展性能验证。
（a）低倍率LFP无负极电池200圈容量保有60.7%，同条件裸铜100圈容量即跌破50%；（b）多圈电压曲线极化增幅极小，电压平台稳定；（c）预补锂全电池400圈几乎无容量衰减；（d）倍率性能CAC全面优于裸铜集流体；（e）软包无负极电芯80圈容量维持80%；（f）实物点亮LED验证实际应用潜力，该改性策略同时适配磷酸铁锂、三元NCM811两类主流正极材料。
研究总结与展望
本研究跳出传统材料改性思维桎梏，创新构建氧空位填充锚定单原子银的界面修饰体系，依托简易温和的三步工艺完成铜集流体原子级精准改性。通过缺陷工程与单原子催化的协同耦合，从根源抑制锂枝晶滋生与死锂生成，成功构筑高稳定梯度SEI界面膜。
研究结合多维度高端表征与全套电化学测试，系统完善地阐明了全新掺杂改性机理，多级电池体系的优异性能充分验证了该策略的可靠性与优越性。同时，整套制备工艺完美适配卷对卷工业化产线，落地性极强。
未来团队将持续优化单原子负载量、涂层结构与电解液适配体系，全力推动该界面改性技术在高能量密度动力电池、柔性储能器件领域的产业化落地应用。
科研测试支持
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相关论文信息：https://doi.org/10.1002/aenm.71382 。
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