李煜章教授最新Nature：超大電流密度實現獨立于SEI的超快鋰多面體沉積

李煜章教授最新Nature：超大電流密度實現獨立于SEI的超快鋰多面體沉積

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【導讀】

不受控制的鋰(Li)枝晶沉積形貌導致較差的循環效率、較短的壽命和顯著的安全性問題。與鋰金屬沉積同時形成的固體電解質界面(SEI)控制鋰離子(Li⁺)向沉積表面的傳輸，進而影響沉積形貌，導致了復雜的SEI形成和鋰沉積的反饋循環。這種同時發生的Li沉積和SEI膜生長是我們深入理解和預測鋰的沉積行為的阻礙。原則上，如果Li⁺可以在比電解液分解更快的時間尺度下被還原，那么Li電沉積和SEI膜的形成可以解耦。由于電解液分解發生在幾秒鐘的量級，因此在金屬鋰電沉積過程中，需要較高的電流密度來克服SEI膜的影響。

【成果掠影】

今日，美國加州大學洛杉磯分校李煜章教授課題組通過在超快沉積電流密度下超過SEI膜的形成速度來解耦這兩個相互交織的過程，同時也避免了質量傳輸的限制。通過使用低溫電子顯微鏡，本工作發現一旦SEI不再影響鋰金屬的沉積行為，Li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形貌，這與電解質化學或集流體基底無關。本工作提出了一種脈沖電流源協議，通過利用Li菱形十二面體作為成核種子來克服這種失效模式，從而實現了致密Li的后續生長，提高了電池性能。雖然在過去的研究中，鋰沉積和SEI膜的形成一直是緊密相連的，但本工作的實驗方法為從根本上理解這些相互解耦的過程提供了新的機會，并為設計更好的電池帶來了新的見解。相關論文以題為“Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation”發表在Nature上。

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【數據概況】

圖1. 超大電流密度（1000mA/cm²）下鋰沉積形成均勻的菱形十二面體? 2023 Springer Nature Limited

圖2. Li菱形十二面體的原子分辨冷凍電鏡觀測? 2023 Springer Nature Limited

圖3. 超快和低電流密度下鍍鋰路徑的電化學分析? 2023 Springer Nature Limited

圖4. 鋰鍍層作為菱形十二面體在紐扣電池中的幾何形狀及其失效機理分析? 2023 Springer Nature Limited

【成果啟示】

綜上所述，本工作挑戰了鋰金屬沉積的兩個長期以來的公理：(1)高電流密度促進鋰枝晶狀生長；(2)電解液化學性質控制鋰沉積形貌。在避免Li⁺耗盡的超快電沉積過程中，本工作的UME和Cryo-EM研究揭示了Li金屬的本征形貌為非枝晶狀菱形十二面體，與電解液化學無關，與bcc晶體的Wulff?Construction理論結構相匹配。此外，本工作還演示了這種電流密度如何誘導獨特的失效模式，這些模式可以通過脈沖充電協議來緩解。通過加快SEI膜的形成，并將其與鋰金屬的生長解耦，本工作開辟了新的機會，為在沒有表面腐蝕膜的影響及其對電池運行的影響的情況下，探索反應性金屬沉積過程提供了新的視角。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06235-w