近日，我院那兆霖副教授、孙旭东教授团队联合中国科学院长春应用化学研究所黄岗研究员团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》（影响因子29.1，中科院1区）上发表了一项突破性研究成果。研究通过PVP配位辅助的CO2激光直写，在Cu集流体上原位构筑由氮掺杂多孔石墨烯、超细Co纳米颗粒和相邻Co单原子组成的一体化锂宿主。相邻Co单原子–纳米颗粒界面的局域电子结构重构形成空间定向的Li吸附能梯度，使后续Li优先占据邻近低能位点，从而将沉积行为由局部垂直堆积引向横向生长。论文以《Beyond Isolated Active Sites: Adjacent Single‐Atom‐Nanoparticle Electronic Coupling Enables Lateral Lithium Growth》为题，为精确调控锂沉积提供了全新的热力学设计思路。

研究背景：

金属锂具有3860 mAh g−1的理论比容量和极低的氧化还原电位，是高能量密度电池的重要负极候选。然而，循环过程中锂沉积容易发生局部化，形成尖端生长和枝晶，导致界面反复破坏、死锂累积及电池寿命衰减。三维多孔宿主能够缓解体积变化并改善电流分布，但其表面活性位点的空间分布进一步决定了锂的生长位置与路径。已有研究通过增加亲锂位点密度或增强位点吸附能力来促进初始成核。金属纳米颗粒和单原子都可以提供亲锂位点，但二者单独存在时仍有局限：纳米颗粒容易使锂在局部边缘或尖端累积；孤立单原子虽然有利于初始成核，却可能因邻近低能吸附位置不足而产生热力学钉扎，难以引导后续锂持续向周围区域扩展。因此，如何在原子尺度构筑相邻位点，并建立能够连续引导后续沉积的局域吸附能分布，是本研究关注的核心问题。

核心亮点：

图1：激光直写制备钴单原子-纳米颗粒/石墨烯一体化宿主及其调控锂横向生长的总示意图

1.PVP配位辅助激光直写，一体化构筑锂宿主与集流体：

将 PAA、PVP 与 Co (acac)3前驱体涂覆铜箔，经亚胺化后在 N2气氛下 CO2激光一步直写成型。PVP 通过配位作用实现 Co 物种均匀分散；激光局域超快加热 - 瞬态淬冷同步驱动碳石墨化与 Co 物种重构，原位生成氮掺杂多孔石墨烯负载 Co 纳米颗粒 - 单原子复合宿主，无需额外粘结剂与导电添加剂。

2.构建相邻Co单原子-纳米颗粒界面，形成局域吸附能梯度

通过调控 PVP 含量精准调控 Co 存在形态，实现 Co 纳米颗粒与 Co 单原子相邻分布。二者界面发生局域电子相互作用，重构 Co 位点 d 带中心，形成空间连续的低能吸附区域，将传统孤立位点的吸附“陷阱”转化为平滑衔接的低能通路，从根源优化锂沉积均匀性。

3.揭示后续Li优先占据邻近位点的热力学依据，推动横向生长

为区别“初始成核”与“后续持续沉积”，研究进一步计算了第二个Li原子在不同位置的吸附行为。第二个Li吸附于相邻Co单原子位点的能量为−0.50 eV，优于吸附在Co纳米颗粒顶部的−0.37 eV以及已沉积Li上方的−0.28 eV，分别具有0.13 eV和0.22 eV的能量优势。这说明在该耦合结构中，后续Li在热力学上更倾向于占据邻近低能位点，而不是沿初始Li核持续垂直堆积。

4.卓越的电化学性能

对称电池在6 mA cm−2、3 mAh cm−2条件下稳定运行超过1500h。对于LiFePO4载量为12.3 mg cm−2的高载量全电池，在2 C下循环1000次后容量保持率为71.4%。采用相同宿主构筑的软包全电池在1 C下循环300次后容量保持率达到90.3%（N/P=2.9）。这些结果验证了局域吸附能梯度调控策略在实际电池条件下的应用潜力。

总结与展望：

本研究将锂宿主设计从单纯追求亲锂位点数量或吸附强度，推进到对相邻活性位点空间关系及局域吸附能分布的调控。利用PVP配位和激光非平衡加工构筑相邻Co单原子-纳米颗粒结构，并通过界面电子结构重构建立定向吸附能梯度，使后续Li优先占据邻近位点。这一机制为抑制锂局部垂直堆积、实现横向生长提供了新的热力学设计思路，更为下一代高稳定长寿命锂金属负极的设计开辟了新路径。

作者简介：

论文的通讯作者是东北大学佛山研究生创新学院那兆霖副教授、孙旭东教授以及中国科学院长春应用化学研究所黄岗研究员，论文第一作者是孙旭东教授课题组博士生张俊。研究团队长期致力于先进陶瓷材料、电池负极材料与器件领域特别是锌离子电池关键材料的基础研究和技术开发方面的相关工作。