西北工业大学Nano Letters多孔介质中锂枝晶生长抑制机理

引言

金属锂因其超高的理论比容量（3860 mAh g-1）和超低的电位（-3.040V vs. SHE）被认为是下一代高比能金属锂电池负极材料的最佳选择。然而，其充放电过程中不可控的锂枝晶生长以及由此引起的循环稳定性差、库伦效率低和安全隐患高等系列问题，严重制约金属锂电池的商业化进程。在众多解决方案之中，利用具有微纳孔隙的多孔介质（如无机固态电解质、涂覆隔膜、多孔中间层等）来抑制电沉积过程中的枝晶生长被认为是最简单有效的。然而，相应实验结果背后的共性基础问题尚未引起关注，因此难以从根本上解决枝晶生长问题。

成果简介

西北工业大学纳米能源材料研究中心魏秉庆教授、谢科予教授研究团队在纳米材料领域权威期刊Nano Letters上发表了题为“Suppressing Dendritic Lithium Formation Using Porous Media in Lithium Metal Based Batteries”的论文。他们通过理论计算证明了多孔介质的曲折孔隙是实现非树枝状Li生长的关键。一方面，曲折的孔隙大大减少了Li+向负极移动的局部离子流量; 另一方面，它们有效地延伸了枝晶生长的物理路径。基于这一理论探索，合成了一种新型多孔α-Si3N4亚微米线膜，将其覆盖在传统负极集流体铜箔表面，可以实现锂金属的均匀沉积。将多孔α-Si3N4亚微米线膜应用于Li | Li对称电池体系，取得了优异的循环稳定性，电池可以连续运行超过3000小时而没有任何短路迹象。这一研究结合理论计算与实验结果，阐明了金属锂电沉积过程中多孔介质内部局部离子流量和孔道结构对锂枝晶抑制效果的作用规律，揭示了多孔介质中锂枝晶抑制的普适原理，为研究开发更安全、更耐用的新一代金属电池（Li，Na，K，Al等电池）提供了理论指导。

图文导读

图1 Li在多孔介质 (a, c, e) 和无多孔介质 (b, d, f) 中的生长模拟

图2 引入α-Si3N4亚微米线膜的铜箔（a, c, d, g, h）和普通铜箔（b, e, f, i, j）上Li沉积形貌

图3 引入α-Si3N4亚微米线膜的铜箔和普通铜箔电化学性能对比

图4 LiFePO4| Li电池中引入α-Si3N4亚微米线膜和未引入α-Si3N4亚微米线膜的电化学性能对比及对应锂负极形貌