通訊單位：加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06235-w
鋰金屬的電沉積是高能量密度電池（鋰金屬電池）的關(guān)鍵步驟之一。而伴隨鋰金屬沉積同時形成的固體電解質(zhì)界面（SEI）使得沉積過程復(fù)雜化，這也是我們對鋰金屬沉積過程理解不足的原因之一。該工作借助于超微電極進行鋰金屬的快速電沉積并實現(xiàn)了其與SEI形成過程的解耦，研究發(fā)現(xiàn)一旦SEI不再影響鋰金屬的沉積行為，鋰金屬將不再沉積為的枝晶狀，而是形成了完美的菱形十二面體。這種現(xiàn)象遵循經(jīng)典的Wulff Construction對體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的預(yù)測，并與電解液化學(xué)和集流體基底性質(zhì)無關(guān)。金屬鋰具有理論容量大、能量密度高等優(yōu)點，因此是一種理想的鋰電池負(fù)極材料，然而鋰金屬也存在循環(huán)壽命短、安全性差等缺點，這一直是從事電池設(shè)計的科學(xué)家和工程師致力于解決的問題。鋰金屬不可控的枝晶狀生長正是導(dǎo)致上述問題的關(guān)鍵原因之一。與鋰金屬沉積同時形成的SEI控制著鋰離子從電解液到電極表面的傳遞，進而影響了沉積形態(tài)，導(dǎo)致了復(fù)雜的SEI形成和鋰沉積的反饋循環(huán)。雖然過去有大量的研究試圖解釋不同電解液中鋰沉積的不同形態(tài)，但由于SEI和鋰金屬的耦合式生長，目前仍缺乏一個通用的理論框架來理解和預(yù)測鋰的沉積行為。該工作揭示了在不受SEI影響下的本征的鋰沉積形貌——菱形十二面體，這符合經(jīng)典的Wulff Construction對bcc結(jié)構(gòu)的預(yù)測，并與電解液化學(xué)和集流體基底性質(zhì)無關(guān)。在過去的研究中，鋰沉積與SEI的形成一直密切相關(guān)，該研究的實驗方法實現(xiàn)了鋰金屬沉積與SEI形成過程的解耦，從根本上理解鋰沉積行為，為改進設(shè)計電池提供了更多見解。圖1要點：以四種典型的電解液為例，通過與它們在常規(guī)電流密度（1mA/cm2）下不同形貌的對比，超微電極展示了在超大電流密度（1000mA/cm2）下，鋰沉積一旦掙脫了SEI的束縛，將統(tǒng)一地形成均勻的菱形十二面體。圖2要點：通過冷凍電鏡對菱形十二面體進行了在不同zone axis下的原子級別的觀測。圖3要點：通過不同的電化學(xué)測試分析方法，計算了在不同電流密度下鋰離子的擴散系數(shù)。在超大電流密度（1000mA/cm2）下，鋰離子的擴散系數(shù)比其在常規(guī)電流密度（1mA/cm2）下大了三個數(shù)量級，并與鋰離子在液體電解液中的擴散系數(shù)處于同一數(shù)量級，這說明在超大電流密度下鋰離子從擴散到被還原的過程中，沒有受到固體（SEI）的阻礙。圖4要點：鋰金屬同樣可以在紐扣電池中形成菱形十二面體，該行為與集流體基底無關(guān)，但該菱形十二面體與集流體接觸不良，導(dǎo)致大量死鋰的產(chǎn)生，從而庫倫效率較低。該工作挑戰(zhàn)了關(guān)于鋰金屬沉積的兩個長期以來的觀念：2.電解液的化學(xué)性質(zhì)決定了鋰沉積形貌。在有效避免了鋰離子傳質(zhì)限制的條件下，鋰金屬在超大電流密度下呈現(xiàn)出非枝晶的菱形十二面體形貌，且這種行為在不同電解液化學(xué)中保持一致，并符合Wulff Construction理論對bcc晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測。雖然超快電流下形成的菱形十二面體結(jié)構(gòu)與集流體存在嚴(yán)重的點接觸而導(dǎo)致了較低的庫倫效率，但脈沖充電方案的提出也有效緩解了該失效機制。通過將鋰金屬沉積和SEI形成解耦，該工作重新評估和解釋了鋰金屬沉積的本征行為，為理解和改進電池技術(shù)開辟了新的途徑，也為進一步研究活潑金屬的電沉積行為提供了新的視角。通訊作者：李煜章，加州大學(xué)洛杉磯分?；は抵斫淌?。2009-2013年加州大學(xué)伯克利分校本科，2013-2018年斯坦福大學(xué)博士（導(dǎo)師：崔屹教授），2018-2020年斯坦福大學(xué)博士后（合作導(dǎo)師：Prof. Bob Sinclair & 崔屹教授），2020年7月入職加州大學(xué)洛杉磯分校。以第一作者或通訊作者身份在國際知名學(xué)術(shù)期刊Science, Nature, Nature Energy，Joule, Chem, Matter等發(fā)表論文數(shù)十篇，多次入選科睿唯安高被引作者（Clarivate Highly Cited Researcher），總被引14000多次，h-指數(shù)為42。入選美國能源部早期職業(yè)生涯獎（DOE Early Career award），美國國家科學(xué)基金會職業(yè)生涯獎（NSF Career award），美國化學(xué)會石油研究基金新研究員獎（ACS PRF Doctoral New Investigator Award），福布斯30歲以下30人榜單（Forbes 30 Under 30 in Science）等多項獎勵。第一作者：袁欣彤，加州大學(xué)洛杉磯分校化工系博士生，以第一作者在國際知名學(xué)術(shù)期刊Nature，Nature Energy，J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., 等發(fā)表論文數(shù)篇。
