在所有候選的新一代負極材料中，金屬鋰憑藉其超高的理論比容量（3860 mAh g−1）和最低的平衡電位（−3.040 V vs. 標準氫電極）受到儲能領域的廣泛關注。然而，其不穩定的固態電解質介面（SEI）所帶來的低庫倫效率嚴重限制了金屬鋰負極在二次電池中的實際應用。
近日，北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授團隊透過對電極介面的底層設計，在苛刻條件下實現了超高的金屬鋰迴圈可逆性（圖1）。該研究成果以《Design and Demystify the Lithium Metal Interface toward Highly Reversible Batteries》為題線上發表於材料類頂級國際期刊《Advanced Materials》（影響因子30.849）。本文的通訊作者為北京理工大學前沿交叉院黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學材料學院/前沿交叉院博士研究生許睿。
圖1. 高可逆性金屬鋰負極介面設計過程導圖
電解液的組成和鋰離子溶劑化結構直接決定金屬鋰負極的介面化學。已有的大量研究工作表明，區域性高鹽電解液體系中陰離子分解衍生的無機SEI可實現高達99%的金屬鋰庫倫效率，而進一步的最佳化空間和調控方法目前仍不明確。在本工作中，作者首先透過理論與實驗相結合的研究方法，對區域性高鹽電解液的主溶劑進行了理性最佳化。在以優選的2-甲基四氫呋喃（MeTHF）作為主溶劑的區域性高鹽電解液體系下，Li|Cu半電池實現了高達99.5%的庫倫效率。進一步地，作者結合滴定氣相色譜方法對前十圈產生的非活性鋰來源進行了定量分析，發現“死鋰”和SEI-Li+所佔比例相當，分別為0.92%和0.74%。基於此，作者透過對初期鋰形核的進一步動力學調控，將該損失分別降至0.51%和0.53%，這是源於在形核調控策略的輔助下，鋰以粒徑更大的圓垛狀結構沉積，從而進一步緩解了死鋰的產生和介面副反應，提升了鋰的迴圈可逆性（圖2）。
圖2. 主溶劑最佳化與鋰形核動力學調控後，金屬鋰負極的沉脫行為研究
在更為貼近實用化要求的測試條件下進行評測，發現金屬鋰沉/脫平均庫倫效率在1.0 mA/cm2, 3.0 mAh/cm2和3.0 mA/cm2, 3.0 mAh/cm2下，分別高達99.7%和99.5%。作者在實用化條件下的全電池測試中進一步闡明瞭提高金屬鋰負極庫倫效率對於提升全電池壽命的重要意義。在N/P="3.7," 正極載量2.7 mAh/cm2下，Li|LFP電池實現了300圈迴圈99.4%的容量保持率；在無過量鋰源的Cu|LFP電池構型下，紐扣和軟包電池在150圈迴圈後分別具有43.8%和41.6%的容量保持率，展現出金屬鋰二次電池的實用化前景。
此工作闡明瞭高可逆性金屬鋰負極介面的理性設計思路，指明瞭進一步提高鋰利用率的攻關方向，為鋰金屬負極在高能量密度二次電池中的實際應用奠定了重要基礎。
來源：北京理工大學
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105962
