近日，晶体材料国家重点实验室刘宏/陈皓团队与济南大学周伟家团队合作，研究出了一种新型富亲盐晶面铜晶体的自选择生长方法，实现高性能的无负极锂金属电池，研究成果以“Self-Selective (220) Directional Grown Copper Current Collector Design for Cycling-Stable Anode-Less Lithium Metal Batteries”为题，发表于国际期刊Advanced Materials（IF=27.4）上。文章第一作者为济南大学与晶体材料国家重点实验室联合培养硕士研究生战珺与晶体材料国家重点实验室博士研究生邓乐全，通讯作者为山东大学晶体材料国家重点实验室刘宏教授、陈皓教授和济南大学周伟家教授，山东大学为共同通讯单位。

无负极锂金属电池技术在负极中使用铜金属集流体（所有沉积锂来自正极），正极使用富含锂的三元镍钴锰等正极材料，是目前具备最高能量密度的锂电池技术之一。然而，无负极锂金属电池中因为锂存量低、锂沉积-溶解反应可逆性差、负极活性材料快速耗尽，导致其循环寿命短、容量保持率不足的问题，限制了大规模应用。该问题是由于负极金属锂在沉积-溶解过程中相对无限的体积变化引起的，这种变化导致固体电解质界面（SEI）中产生裂纹，并在SEI的裂纹处发生严重的金属锂-电解液电化学腐蚀副反应，造成活性物质的损耗。目前多项金属锂负极研究发现，在负极集流体表面构建由电解液中的LiFSI锂盐完全分解产生的富含无机氟化锂、氧化锂等成分的无机SEI对于构建高性能锂金属电池具有显著优势。然而，铜集流体的哪个晶面更亲近锂盐以吸附锂盐，以及哪个晶面可以催化锂盐完全分解成无机SEI，却罕有报道。

根据上述问题，研究团队提出了无负极锂金属电池技术中“自选择”铜集流体设计理念。针对铜集流体的亲锂盐晶面取向不明、亲锂晶面诱导优先生长制备方法未知的问题，研究者们在电化学沉积制备铜集流体时加入饱和锂盐LiFSI，从而让制备过程中的锂盐自选择、主动诱导亲锂盐晶面的优先生长，首次观察到单向（220）晶面的金属铜生长作为LiFSI自选择的亲盐相，并发现该自选择出的（220）晶面可促进锂盐吸附、催化锂盐分解成为无机SEI，构筑高性能无负极锂金属电池。该设计实现了围绕目标电池反应过程的单一亲盐晶面的铜集流体晶体的定向自选择生长，产生了自选择集流体概念。研究人员推理了这种自选择制备过程的机制，即FSI阴离子更优先地与亲盐的Cu(220)相键合，基于电荷平衡效应促进Cu2+阳离子在Cu(220)相附近聚集，从而在电镀过程中实现了Cu(220)相优先取向生长的铜集流体多晶的米级连续化制备，作为LiFSI盐吸附、分解和无机SEI形成的高活性催化剂。与其他添加剂方法相比，该设计可以实现一步式、可扩展的、与工业生产技术兼容的方法。这种自选择集流体设计可将锂沉积/剥离CE从99.25%提高到99.50%（在400个循环内稳定），并且无负极锂金属电池的容量衰减率在100个循环内也减少了42.4%。

近年来刘宏教授和陈皓教授团队在电池中的晶体材料生长机理研究与机制调控这一研究领域取得多项研究进展，成果先后发表于Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Energy等国内外学术期刊。相关工作得到了国家自然科学基金、国家高层次青年人才计划、山东省自然科学基金、山东省泰山学者计划、山东大学和晶体材料国家重点实验室的大力支持。