图1. 高可逆性金属锂负极界面设计过程导图
在所有候选的新一代负极材料中，金属锂凭借其超高的理论比容量（3860 mAh g^?1）和最低的平衡电位（?3.040 V vs. 标准氢电极）受到储能领域的广泛关注。然而，其不稳定的固态电解质界面（SEI）所带来的低库伦效率严重限制了金属锂负极在二次电池中的实际应用。
近日，北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授团队通过对电极界面的底层设计，在苛刻条件下实现了超高的金属锂循环可逆性（图1）。该研究成果以《Design and Demystify the Lithium Metal Interface toward Highly Reversible Batteries》为题在线发表于材料类顶级国际期刊《Advanced Materials》（影响因子30.849）。本文的通讯作者为北京理工大学前沿交叉院黄佳琦教授，第一作者为北京理工大学材料学院/前沿交叉院博士研究生许睿。

图2. 主溶剂优化与锂形核动力学调控后，金属锂负极的沉脱行为研究
电解液的组成和锂离子溶剂化结构直接决定金属锂负极的界面化学。已有的大量研究工作表明，局部高盐电解液体系中阴离子分解衍生的无机SEI可实现高达99%的金属锂库伦效率，而进一步的优化空间和调控方法目前仍不明确。在本工作中，作者首先通过理论与实验相结合的研究方法，对局部高盐电解液的主溶剂进行了理性优化。在以优选的2-甲基四氢呋喃（MeTHF）作为主溶剂的局部高盐电解液体系下，Li|Cu半电池实现了高达99.5%的库伦效率。进一步地，作者结合滴定气相色谱方法对前十圈产生的非活性锂来源进行了定量分析，发现“死锂”和SEI-Li⁺所占比例相当，分别为0.92%和0.74%。基于此，作者通过对初期锂形核的进一步动力学调控，将该损失分别降至0.51%和0.53%，这是源于在形核调控策略的辅助下，锂以粒径更大的圆垛状结构沉积，从而进一步缓解了死锂的产生和界面副反应，提升了锂的循环可逆性（图2）。
在更为贴近实用化要求的测试条件下进行评测，发现金属锂沉/脱平均库伦效率在1.0 mA/cm², 3.0 mAh/cm²和3.0 mA/cm², 3.0 mAh/cm²下，分别高达99.7%和99.5%。作者在实用化条件下的全电池测试中进一步阐明了提高金属锂负极库伦效率对于提升全电池寿命的重要意义。在N/P="3.7," 正极载量2.7 mAh/cm²下，Li|LFP电池实现了300圈循环99.4%的容量保持率；在无过量锂源的Cu|LFP电池构型下，纽扣和软包电池在150圈循环后分别具有43.8%和41.6%的容量保持率，展现出金属锂二次电池的实用化前景。
此工作阐明了高可逆性金属锂负极界面的理性设计思路，指明了进一步提高锂利用率的攻关方向，为锂金属负极在高能量密度二次电池中的实际应用奠定了重要基础。


附作者介绍：
黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。发表SCI论文100余篇，其中60余篇为ESI高被引论文，h因子84。担任中国颗粒学会青年理事会理事，J. Energy Chem.、InfoMat编委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年编委。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖，2018年国家****青年拔尖人才，2020年北京市****科学基金等；2018-2020年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。
论文详情：
Design and Demystify the Lithium Metal Interface toward Highly Reversible Batteries
Rui Xu, Jun-Fan Ding, Xia-Xia Ma, Chong Yan, Yu-Xing Yao, Jia-Qi Huang*
Adv. Mater., doi: 10.1002/adma.202105962
链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105962