李煜章教授最新Nature：超大电流密度实现独立于SEI的超快锂多面体沉积

李煜章教授最新Nature：超大电流密度实现独立于SEI的超快锂多面体沉积

【导读】

不受控制的锂(Li)枝晶沉积形貌导致较差的循环效率、较短的寿命和显著的安全性问题。与锂金属沉积同时形成的固体电解质界面(SEI)控制锂离子(Li⁺)向沉积表面的传输，进而影响沉积形貌，导致了复杂的SEI形成和锂沉积的反馈循环。这种同时发生的Li沉积和SEI膜生长是我们深入理解和预测锂的沉积行为的阻碍。原则上，如果Li⁺可以在比电解液分解更快的时间尺度下被还原，那么Li电沉积和SEI膜的形成可以解耦。由于电解液分解发生在几秒钟的量级，因此在金属锂电沉积过程中，需要较高的电流密度来克服SEI膜的影响。

【成果掠影】

今日，美国加州大学洛杉矶分校李煜章教授课题组通过在超快沉积电流密度下超过SEI膜的形成速度来解耦这两个相互交织的过程，同时也避免了质量传输的限制。通过使用低温电子显微镜，本工作发现一旦SEI不再影响锂金属的沉积行为，Li金属将不再沉积为的枝晶状，而是形成了完美的菱形十二面体形貌，这与电解质化学或集流体基底无关。本工作提出了一种脉冲电流源协议，通过利用Li菱形十二面体作为成核种子来克服这种失效模式，从而实现了致密Li的后续生长，提高了电池性能。虽然在过去的研究中，锂沉积和SEI膜的形成一直是紧密相连的，但本工作的实验方法为从根本上理解这些相互解耦的过程提供了新的机会，并为设计更好的电池带来了新的见解。相关论文以题为“Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation”发表在Nature上。

【数据概况】

图1. 超大电流密度（1000mA/cm²）下锂沉积形成均匀的菱形十二面体© 2023 Springer Nature Limited

图2. Li菱形十二面体的原子分辨冷冻电镜观测© 2023 Springer Nature Limited

图3. 超快和低电流密度下镀锂路径的电化学分析© 2023 Springer Nature Limited

图4. 锂镀层作为菱形十二面体在纽扣电池中的几何形状及其失效机理分析© 2023 Springer Nature Limited

【成果启示】

综上所述，本工作挑战了锂金属沉积的两个长期以来的公理：(1)高电流密度促进锂枝晶状生长；(2)电解液化学性质控制锂沉积形貌。在避免Li⁺耗尽的超快电沉积过程中，本工作的UME和Cryo-EM研究揭示了Li金属的本征形貌为非枝晶状菱形十二面体，与电解液化学无关，与bcc晶体的Wulff Construction理论结构相匹配。此外，本工作还演示了这种电流密度如何诱导独特的失效模式，这些模式可以通过脉冲充电协议来缓解。通过加快SEI膜的形成，并将其与锂金属的生长解耦，本工作开辟了新的机会，为在没有表面腐蚀膜的影响及其对电池运行的影响的情况下，探索反应性金属沉积过程提供了新的视角。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06235-w