北航宫勇吉AM：面向高性能锂金属电池的超光滑致密锂沉积

具有稳定固体电解质界面（SEI）和无枝晶形成的锂金属电池（LMBs）在下一代储能装置中具有巨大的潜力。

图1. Cu₂S NS@Cu箔的制备和表征

北京航空航天大学宫勇吉等提出了一种具有独特微/纳米结构和稳定锂/电解质界面的新型亲锂集流体（CCs），它同时降低了铜箔的”自重”，平衡了Li⁺/e⁻传输速率比和比表面积。

这种CCs是通过恒电流负极氧化和快速低温硫化技术制备的：首先，垂直排列的CuO纳米片阵列通过负极氧化均匀地生长在Cu箔的表面（CuO NS@Cu箔），接下来，在H₂S/Ar的混合流下对所得到的CuO NS@Cu箔进行硫化，以获得Cu₂S NS@Cu箔，经过最初的活化过程，Cu₂S NS将自发地原位转化为表面带有超薄Li₂S层的Cu纳米片（Li₂S-Cu NS@Cu箔）。

令人印象深刻的是，垂直排列的Cu₂S纳米片阵列可以显著增加Cu箔的表面积，使其达到适当的水平，从而有效降低局部电流密度，实现电荷的均匀分布，并通过原位锂化作用转化为均匀的人造Li₂S SEI。

在锂沉积过程中，Li⁺必须越过Li₂S层，该层电子绝缘但离子导电，以接受e⁻，然后在Cu纳米片和Li₂S层之间形成金属状态的板，从而大大抑制了与新鲜Li的反应或逃逸e-的攻击引起的电解液二次分解。随着沉积能力的增加，沉积在三维NS表面的锂会逐渐融合在一起，显示出超扁平的平面沉积。

图2. Cu₂S NS@Cu箔用于锂沉积/剥离的循环稳定性

有趣的是，Li₂S层总是可以从三维纳米片表面可逆地移动到锂的二维平面表面，这不仅保持了无缺陷的结构，而且在长期循环过程中具有很强的阻断电子的能力。

更重要的是，与采用Li₂CO₃（~10^-8S cm⁻¹）和LiF（~3×10^-9 S cm⁻²）的传统SEI相比，Li₂S层（~10^-5 S cm^-1）的高Li⁺电导率可以促进有效的Li⁺传输，从而平衡e⁻和Li⁺之间的动力学行为。

因此，受益于纳米片阵列和超薄Li₂S层的巧妙协同作用，Cu₂S NS@Cu箔甚至在10 mAh cm^-2时也能实现超平滑和致密的锂沉积，平均厚度为53.0 μm。

在1 mA cm^-2和1 mAh cm^-2的情况下，实现了超长的循环行为（超过1150次循环）和99.1%的超高CE。即使在5 mA cm^-2的条件下将面容量增加到5 mAh cm^-2，稳定的循环行为仍然可以在200多次循环中保持98.3%的高平均CE。

当与高负载LiFePO₄（LFP）和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）正极相结合时，全电池在贫电解液和有限（或零）锂源下，即使在-20℃下，仍表现出优异的倍率性能和长期循环寿命。

图3. 全电池性能

Ultra-Smooth and Dense Lithium Deposition Toward High-Performance Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202210130

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