深圳先进院唐永炳、邓伟/北大深研院郑家新Nature子刊:界面过剩电荷动态描述符解析锂枝晶生长(文末附博士后招聘信息)

【研究背景】

锂金属电池凭借其超高的能量密度，成为下一代高能量密度储能技术的核心发展方向。然而，电沉积过程涉及体相Li⁺扩散、脱溶剂化、电荷转移及电结晶等复杂步骤，极易形成具有分形结构的锂枝晶。锂枝晶不仅会穿透固体电解质界面（SEI）消耗活性锂，其尖端在脱锂过程中还易脱落形成“死锂”，导致电池容量快速衰减甚至引发安全事故。目前关于锂枝晶起源的研究主要聚焦动力学视角，多分析体相Li⁺扩散与界面消耗的速率不匹配（如Sand时间模型）。而往往热力学视角则孤立考察电极表面过剩电荷的作，但现有研究依赖理论计算和事后形貌分析，无法实时追踪界面电荷的产生、消耗与分布动态，也难以解释不同电解液体系（如稀电解液与高浓度电解液）中枝晶抑制机制的差异。

【研究介绍】

近日，中科院深圳先进院唐永炳、邓伟/北大深圳研究院郑家新提出利用界面过剩电荷分布因子作为定量描述符，该描述符整合了电极表面过剩电荷、界面电荷消耗速率和阳离子屏蔽效应三大因素，实现了对不同溶剂化体系下锂枝晶生长行为的统一描述。此外，该研究提出测试电化学活性表面积（ECSA）生长速率的方法，验证了界面过剩电荷分布动态与锂沉积形貌的关联。该研究结合经典分子动力学模拟、机器学习原子电荷预测、多尺度原位/非原位表征及相场模拟，揭示了界面过剩电荷动态变化的调控机制，即界面过剩电荷的消耗速率由Li⁺-偶极-阴离子相互作用决定，电极过剩电荷程度由溶剂化结构和阳离子屏蔽效应调控，二者的竞争关系最终决定锂枝晶的生长行为。基于上述机理，在低N/P比（0.80）和贫电解液（1.00 g/Ah）的实用化条件下，实现了6.4 Ah锂金属软包电池的稳定循环，电池比能量达515Wh/kg

该文章发表在国际期刊Nature Communications上。中国科学院深圳先进技术研究院博士生李学忠、北大深研院赖根明博士为论文共同第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员、邓伟副研究员，北大深研院郑家新长聘副教授为论文共同通讯作者。

【核心部分】

3.1 不同电解液体系中Li/电解液界面的过剩电荷特征

锂电镀反应仅发生在电极/电解液固液界面，其热力学和动力学特性共同决定锂沉积的形貌和可逆性。溶剂化结构通过调控Li⁺-偶极-阴离子相互作用，决定了电极表面过剩电荷的大小和分布；然而，静态的电极过剩电荷无法解释高浓度电解液中过剩电荷升高但库仑效率反而提升的反常现象，需引入动态视角描述界面电荷行为。

图1. 不同电解液体系中Li/电解液界面的过剩电荷特征

3.2 界面过剩电荷分布动态过程的定量描述符

从动力学角度，界面电荷转移速率决定了过剩电荷的消耗速度，而电解液中的阳离子会形成屏蔽层抵消电极表面的电荷应力。因此，单一的热力学或动力学参数均无法全面描述界面行为，必须建立整合三者的动态定量描述符，才能揭示不同溶剂化体系下锂枝晶生长的共性规律。图2提出并验证了界面过剩电荷分布因子（f）这一核心定量描述符，实现了对界面热力学与动力学耦合效应的统一表征。

图2. 界面过剩电荷分布动态过程的定量描述符

3.3 电化学活性表面积变化与界面过剩电荷分布因子的关联

为了将该描述符与锂沉积的形貌演化相关联，开发了一种电化学方法来评估锂沉积电化学活性表面积（ECSA）的生长速率。图3为定量表征锂枝晶生长ECSA的方法，以及从多尺度验证f与锂沉积形貌的内在联系。界面过剩电荷分布因子f通过调控界面电荷分布均匀性，决定了锂成核的均匀性和后续枝晶生长行为，该结论得到了从纳米尺度到宏观尺度的多尺度验证。

图3. 电化学活性表面积变化与界面过剩电荷分布因子的关联

3.4 界面过剩电荷再分布机制与实用化锂金属电池性能

界面过剩电荷动力学由电荷积累程度和电荷消耗速率的竞争关系决定；基于该机理设计的电解液兼具强阳离子屏蔽和快速脱溶剂化动力学，实现了实用化条件下锂金属电池的高性能循环。基于上述讨论，本文总结了界面过剩电荷动力学的调控机制，并基于该机理设计了高性能电解液，实现了500Wh/kg 级锂金属电池的稳定循环。6.4 Ah Li||NCM811软包电池在低N/P比（0.80）和贫电解液（1.00 g/Ah）的条件下，电池比能量达515 Wh/kg。

图4. 界面过剩电荷再分布机制与实用化锂金属电池性能

【文献详情】

Li, X., Lai, G., Deng, W. et al. Interfacial excess charge dynamics as a quantitative descriptor to understand lithium dendrite growth. Nat Commun (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41467-026-72472-y

【作者简介】

唐永炳，中国科学院深圳先进技术研究院，研究员（二级），博士生导师，国家优青、国家杰青基金获得者，先进储能技术研究中心主任，碳中和技术研究所副所长，广东省创新领军人才，深圳市工程实验室和广东省工程中心主任，全球前2%顶尖科学家（年度及终身），英国皇家化学学会会士，广东省电池行业协会首席科学家，爱思唯尔中国高被引学者，科睿唯安高被引科学家等。主要从事新型储能材料及器件、功能薄膜材料的研发与应用。主持国家重点研发计划、自然基金、中科院、广东省重大专项等科研项目20余项。在Nat. Chem., Nat. Sustain., Natl. Sci. Rev., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew Chem., Matter, Adv. Energy Mater., EES等材料及能源期刊发表SCI论文300余篇，H-index：93，他引＞24000，70余篇入选ESI高被引论文。获授权发明专利260余项，包括美欧日韩专利13项，实现转移转化80余项。先后获得深圳市自然科学奖一等奖（第一完成人）、深圳市专利奖（第一发明人）、广东省科学技术奖自然科学奖（第一完成人）和中国专利奖银奖（第一发明人）等。

郑家新，现为北京大学深圳研究生院新材料学院长聘副教授（课题组长）、博士生导师，深圳屹艮科技创始人兼首席科学家。主要从事AI驱动的跨尺度模拟与材料设计、新能源电池材料模拟与设计。至今在Nature/Nature Energy/Nature Commun.、Nat. Sci. Rev.、 Chem、Acc. Chem. Res./J. Am. Chem. Soc./Nano Lett./J. Phys. Chem. Lett./ACS Energy Lett.、PRX Energy/Phy. Rev. Mater.、Adv. Mater./Adv. Energy Mater./Adv. Sci./Small等学术期刊上发表SCI论文160余篇（第一作者或通讯作者超过70篇）。文章总引用17000余次（Google Scholar），H-index为62。主持国自然重点/重大项目课题/面上/青年、宁德时代横向课题等，参与国家重点研发计划3项。获得深圳市自然科学一等奖，深圳市青年科技奖。2021-2025年连续5年入选斯坦福发布的全球前2%顶尖科学家单榜（World’s Top 2% Scientists）。

邓伟，中国科学院深圳先进技术研究院，副研究员，主要研究方向为高能量密度电池关键材料及失效分析，目前在Nat. Energy, Nat. Rev. Chem., Nat. Commun., EES, AEM, ACS Energy Lett.等期刊发表论文30余篇，授权专利20余项，主持国自然面上/青年、广东省/深圳市面上、博后基金特别/面上资助、中科院特别研究助理资助，作为单位负责人参与深圳市技术攻关、科技重大等项目。

【博后招聘】

中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士\唐永炳国家杰青团队诚聘博士后，本招聘长期有效。研究方向涉及储能材料和电池技术的基础和应用研究，包括但不限于：新型电池材料和电池体系；极端环境（低温/高温等）电池设计及失效机理；固态电池电解质设计和界面失效；先进表征手段及分析方法；Al4S在储能材料和电池领域的应用。

有意者请将个人简历（包括教育、工作经历，研究背景，发表论文等能体现个人能力的详细材料），命名为“姓名-研究方向”，通过电子邮件将简历发至：w.deng@siat.ac.cn。

工作地点：深圳市南山区西丽深圳大学城学苑大道1068号中科院深圳先进院。