西北工業大學Nano Letters：多孔介質中鋰枝晶生長抑制機理

【引言】

金屬鋰因其超高的理論比容量（3860 mAh g^-1）和超低的電位（-3.040V vs. SHE）被認為是下一代高比能金屬鋰電池負極材料的最佳選擇。然而，其充放電過程中不可控的鋰枝晶生長以及由此引起的循環穩定性差、庫倫效率低和安全隱患高等系列問題，嚴重制約金屬鋰電池的商業化進程。在眾多解決方案之中，利用具有微納孔隙的多孔介質（如無機固態電解質、涂覆隔膜、多孔中間層等）來抑制電沉積過程中的枝晶生長被認為是最簡單有效的。然而，相應實驗結果背后的共性基礎問題尚未引起關注，因此難以從根本上解決枝晶生長問題。

【成果簡介】

近日，西北工業大學納米能源材料研究中心魏秉慶教授、謝科予教授研究團隊在納米材料領域權威期刊Nano Letters上發表了題為“Suppressing Dendritic Lithium Formation Using Porous Media in Lithium Metal Based Batteries”的論文。他們通過理論計算證明了多孔介質的曲折孔隙是實現非樹枝狀Li生長的關鍵。一方面，曲折的孔隙大大減少了Li⁺ 向負極移動的局部離子流量; 另一方面，它們有效地延伸了枝晶生長的物理路徑。基于這一理論探索，合成了一種新型多孔α-Si₃N₄亞微米線膜，將其覆蓋在傳統負極集流體銅箔表面，可以實現鋰金屬的均勻沉積。將多孔α-Si₃N₄亞微米線膜應用于Li | Li對稱電池體系，取得了優異的循環穩定性，電池可以連續運行超過3000小時而沒有任何短路跡象。這一研究結合理論計算與實驗結果，闡明了金屬鋰電沉積過程中多孔介質內部局部離子流量和孔道結構對鋰枝晶抑制效果的作用規律，揭示了多孔介質中鋰枝晶抑制的普適原理，為研究開發更安全、更耐用的新一代金屬電池（Li，Na，K，Al等電池）提供了理論指導。

【圖文導讀】

圖1 Li在多孔介質 (a, c, e) 和無多孔介質 (b, d, f) 中的生長模擬

圖2 引入α-Si₃N₄亞微米線膜的銅箔（a, c, d, g, h）和普通銅箔（b, e, f, i, j）上Li沉積形貌

圖3 引入α-Si₃N₄亞微米線膜的銅箔和普通銅箔電化學性能對比

圖4 LiFePO₄| Li電池中引入α-Si₃N₄亞微米線膜和未引入α-Si₃N₄亞微米線膜的電化學性能對比及對應鋰負極形貌

【致謝】

本論文由西北工業大學納米能源材料研究中心博士生李楠為第一作者，謝科予教授和魏秉慶教授為通訊作者，研究工作也得到了西北工業大學材料學院李賀軍教授、宋強副研究員，波士頓大學Emily M. Ryan教授和猶他州立大學Liu Ling教授等在材料制備與理論計算方面的大力支持。此外，本研究工作得到了國家自然科學基金項目等項目支持。

文獻鏈接：Suppressing Dendritic Lithium Formation Using Porous Media in Lithium Metal-Based Batteries?(Nano Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00183)

本文來自西北工業大學納米能源材料研究中心魏秉慶教授、謝科予教授研究團隊，特此感謝！

材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料測試、數據分析，上測試谷！