上海交通大学陈立桅/胡晨吉JACS：锂原子扩散系数是全固态锂电池临界电流密度与循环稳定性的关键描述符

第一作者：薛国勇

通讯作者：胡晨吉，陈立桅

单位：上海交通大学

全固态锂电池因其高能量密度和安全性被视为下一代储能技术，但锂枝晶生长和界面副反应严重阻碍其商业化。临界电流密度是衡量枝晶生长趋势的关键指标，现有合金负极（如Li-In、Li-Al、Li-Si）的临界电流密度远低于实际需求（>10 mA cm^-2），且影响临界电流密度的关键因素尚不明确。合金负极虽能调控锂沉积行为，提升临界电流密度和循环稳定性，但缺乏统一描述符来指导材料设计。本文通过提出扩散控制的锂沉积模型，揭示了锂原子扩散系数在决定全固态锂电池临界电流密度和循环稳定性中的核心作用。

近日，上海交通大学陈立桅、胡晨吉团队在《Journal of the American Chemical Society》 上发表题为“Li Atomic Diffusivity: A Key Descriptor for Critical Current Density and Cycling Stability in Alloy Anodes for All-Solid-State Lithium Batteries”的研究论文。该研究明确指出锂原子在合金中的扩散系数是决定其全固态锂电池临界电流密度和循环稳定性的关键描述符。基于此，发展了锂原子扩散系数高达~3 × 10^-7 cm² s^-1的LiGa合金负极，实现了超过50 mA cm^-2的超高临界电流密度，并在低堆叠压力下展现出卓越的循环寿命，为全固态电池的实用化注入强劲动力。

基于晶体生长理论，提出扩散控制的锂沉积模型，锂的沉积形貌取决于锂原子在合金表面的拼接速率与其在合金内部的扩散速率之间的竞争。当锂原子扩散速率远低于表面拼接速率时，易形成枝晶（即分形生长）；当锂原子扩散速率高于表面拼接速率时，倾向于层状生长。相场模拟结果直观地印证了这一点：低锂原子扩散系数的合金界面出现明显岛状锂，而高锂原子扩散系数的合金则呈现平整的层状生长界面。

基于菲克定律的理论推导，揭示临界电流密度（）与锂原子扩散系数(D)的平方根成正比()。通过Li-In、Li-Al、Li-Mg等不同合金体系研究，发现临界电流密度与锂原子扩散系数的平方根成正相关，与基于菲克定律推导的理论公式一致，证实锂原子扩散系数是跨合金体系、跨堆叠压力的普适性描述符。

具有高锂原子扩散系数（~3 × 10^-7 cm² s^-1）的LiGa合金负极展现超高的临界电流密度（＞50 mA cm^-2）。在1 MPa的低堆叠压力下其对称电池在3 mA cm^-2、3 mAh cm^-2的苛刻条件下，稳定循环1200小时。与NCM811正极组装的全固态锂电池在3 mA cm^-2下循环1000次后容量保持80%，库伦效率达99.8%，性能远超现有合金负极体系。

Li Atomic Diffusivity: A Key Descriptor for Critical Current Density and Cycling Stability in Alloy Anodes for All-Solid-State Lithium Batteries

薛国勇，上海交通大学化学化工学院博士生，主要从事全固态锂电池及其关键材料的研究，在J. Am. Chem. Soc.，eScience，Acta Phys. -Chim. Sin.等期刊发表论文十余篇。

胡晨吉：上海交通大学化学化工学院助理研究员，主要从事高比能金属二次电池及其关键材料的研究，目前以第一/通讯作者身份在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett.等期刊发表SCI论文十余篇，申请发明专利十余项，入选第七批“博士后创新人才支持计划，主持国家自然科学基金青年项目（C类）、江苏省科技厅重大专项课题等项目。

陈立桅：上海交通大学化学化工学院特聘教授、博士生导师、中国化学会会士、国家杰出青年科学基金获得者，科技部“万人计划”创新领军人才，科技部国家重点研发计划项目首席科学家。担任上海交通大学物质科学原位中心创始主任，上海电化学能源器件工程技术研究中心副主任。长期从事电化学材料与原位表征研究，在锂电池及其关键材料研究领域取得多项重要成果，已在Nature，Nature Nanotech., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc.等期刊发表论文200 余篇。研发的先进电池材料性能领先，拥有自主知识产权、国际专利进入日韩欧美，多项专利转移至企业实施转化，获中国专利优秀奖。

上海交通大学物质科学原位中心成立于2020年，是上海交通大学校级交叉研究平台，负责人为上海交通大学化学化工学院陈立桅教授。原位中心以物质科学领域广泛的原位研究需求为基础，结合国际学科前沿和国家战略需求，集成世界最先进的原位以及工况下的显微与谱学技术，通过设计、开发新型原位反应装置和大数据处理平台，实现高空间分辨率原位功能成像及物质结构与化学价态的原位动态追踪。基于从微米到原子尺度下复杂化学体系中材料物化性能的原位、工况表征，为能源化学化工、先进材料、热能机动等物质科学前沿领域与重大应用方向提供重要技术支撑。原位中心现已配备世界先进的原位分析测试仪器，包括原位球差校正透射电镜，原位X射线吸收光谱仪，原位X射线衍射仪，扫描电镜等。团队在Science、Nat. Catal.、Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Synth.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Joule、Chem等国际知名期刊上发表高水平文章100余篇。物质科学原位中心主页为https://insitu.sjtu.edu.cn/ ，更多科研进展可在网页查询。