江大博士生论文首登《自然・通讯》，“比纸轻十倍”的一张膜有效提升下一代锂电池安全性能

极目新闻记者 李碗容

实习生陈培昕 罗志宇 熊佳音

“这是我们研制出来的碳膜，可别小看，这薄薄的一层在锂金属电池上大有用武之地。”7月3日，在江汉大学光电化学材料与器件教育部重点实验室，光电材料与技术学院博士生沈华森正在进行碳膜的装置工作。目前，沈华森作为第一作者，在国际顶级期刊《自然・通讯》发表了研究论文。该校教师李兆槐、李煜宇、解明为共同通讯作者，江汉大学作为第一单位。这是江汉大学自主培养博士研究生首次以江汉大学为第一单位在《自然·通讯》发表论文。

能够激活“死锂”的中间层

“这个碳膜感觉比普通的纸张还要轻薄，真能解决那么大的问题？”极目新闻记者在实验室看到本次研究核心的碳膜后，不由得惊叹道。沈华森介绍，其发表的论文题目为《具备死锂激活效应的工业化中间层应用于Ah级超高镍含量锂金属电池》，主要致力于解决锂金属电池的安全与寿命问题，助力其产业化发展。

李兆槐老师介绍，相较于目前广泛应用的锂离子电池，锂金属电池能量密度能大幅提升，现有纯电动新能源汽车续航多为400至600公里，而锂金属电池若能量产，续航有望突破800公里，一次充电即可媲美燃油车续航，消除广大新能源汽车车主续航焦虑。然而，锂金属电池长期未能商用化，核心原因在于安全问题。“电池在充放电过程中，锂金属会像树枝一样无序生长形成针状的锂枝晶，刺穿电池隔膜从而导致内部短路，存在严重的热失控安全隐患。”李兆槐说。

沈华森在李兆槐、李煜宇、解明三位老师指导下，提出一个解决方案，为锂金属电池装上“安全锁”，让锂在无枝晶条件下平稳生长。他们通过使用团队解明教授和李煜宇教授自主研发的公斤级原子层沉积技术（ALD）并提出“温和”的锂吸附和“死锂”激活效应两大创新机制，成功制备出厚度仅 20 微米、面载量1 mg/cm2的超薄功能隔膜，其比打印的A4纸轻十倍。这个隔膜可诱导锂金属无枝晶生长，把树枝状生长模式改变为平面生长模式，从而消除锂金属电池中枝晶刺穿隔膜导致短路和热失控的风险。

“温和”的吸附锂离子指中间层上的亲锂位点不仅能引导锂离子均匀沉积，而且能够使得后续锂离子沿着高导电网络进行移动，进而使得锂金属均匀生长，避免枝晶生成。沈华森解释：“就像把杂乱的树枝修剪成平整的草坪，从源头上消除短路风险。” 而“死锂”激活效应则针对电池循环中产生的“死锂”，即无法参与反应的残留锂，通过特殊设计使其重新参与电化学循环，大幅提升电池循环寿命和安全性。“就像我们在手机上显示的电池容量，反复使用后可能只有原来购买时候的90%，而我们要避免这个问题，在后期的过程中这个‘死锂’如果能够被充分利用，它可以从衰减后的90%能够恢复到接近100%。”李兆槐补充。

跨学科的协作创新之路

“他起初没有化学相关的学术背景，却在新能源材料领域做出了这样重要的成果。沈华森充分证明了破除学历背景限制，只要扎实努力勤于思考就能出成果。” 李兆槐老师说。

2021年9月，沈华森来到江汉大学读研，从研一开始，他便一头扎进了实验室，常常是早上8点就到实验室，晚上10点多才回宿舍。“我觉得做实验很有意思，一步一步自己做材料，然后组装电池进行测试，看着性能有所提升的数据，觉得很有成就感。”沈华森说。“师兄是我们实验室的榜样，他很有目标，而且做实验很严谨，也能静下来钻研。”江大2024级硕士研究生吴晓馨说。

得益于学校博士点的获批，2024年9月，沈华森继续在江汉大学攻读博士研究生。不仅如此，学校和学院还十分重视科研，为各团队提供了诸多支持。在实验室，极目新闻记者看到了 ALD 设备、台式扫描电镜等先进仪器。“台式扫描电镜可直接观察纳米尺度的锂枝晶生长过程，为我们精准调控提供依据。”沈华森说。

但科研之路并不是坦途，在制备碳膜的过程中，他经历了无数次失败。“我最印象深刻的就是碳膜在循环100圈之后损坏的问题，致使实验进度陷入停滞无法突破。”沈华森说。不过在李兆槐老师的指导下，他最终找到了问题所在，成功攻克了这一难题。

“我们团队不仅有李老师对于科研的指导，解老师关于产业的思想也对我影响很大，他一直和我们说要做有用的科研。其次，李煜宇老师在我实验中也多次给我提出了建设性的意见和指导。”沈华森说。解明教授长期从事新能源材料的产业化工作。学校跨学科团队会通过每周组会碰撞思路，形成创新合力。

李兆槐告诉极目新闻记者，这项成果的意义不仅在于学术突破，更在于推动产业发展。他透露，中间层材料可通过现有设备大面积制备，结合固态电池技术，未来有望实现商用，落地后将为新能源汽车、储能等领域带来革命性变革。未来，团队将聚焦全固态锂金属电池研发，持续攻克安全与产业化难题，为新能源产业发展贡献江大力量。

江汉大学相关负责人表示，此次突破是江汉大学科研实力提升的缩影。“从被质疑‘江汉大学为何能发顶刊’，到用数据赢得认可，我们证明了只要坚持高标准，脚踏实地做研究，地方高校也能做出世界级成果。”

（来源：极目新闻）