福州大学杨程凯等ACS Energy Letter：AI辅助能量分解分析金属锂异质外延生长

第一作者：李柏荣

通讯作者：刘哲源/李凌云/于岩/杨程凯

通讯单位：福州大学

金属锂生长理论分析难度极高，路径不确定性较高且表面重排过程势能面复杂，受影响因素很多。因此如果能够改变角度，借鉴有机分子的立体选择性，将表面重排过程类比为有机物的立体选择性，采用能量分解的方法来处理，避免复杂的势能面，这样不仅仅可以借鉴AI辅助分析，并且可以从大量杂乱无章的重排结构中发现规律。

近日，福州大学大学杨程凯等人研究了锂在具有独特晶体结构的不同基底上的生长，对微观和宏观过程贯通至关重要，这将确保锂金属电池的长循环寿命和安全性。该研究提供了以下几个方面的解释:(1)受吸附-驰豫机制影响的成核阶段;(2)从晶胚开始获得枝晶形态的进化特征;(3)通过各种不同尺度的技术整合原子和宏观视角来验证枝晶的生长进化。晶胚的异质外延生长过程分为成核和生长两个主要阶段。吸附型基底在成核阶段表现出相对较低的平均相互作用能和比应力能的特点。在生长阶段，吸附型基底倾向于促进多层生长。本工作借鉴有机分子的立体选择性，将表面重排过程类比为有机物的立体选择性，采用能量分解的方法来处理，避免复杂的势能面，并且可以借助AI辅助分析大量重排结构。该文章发表在国际顶级期刊ACS Energy Letters上。李柏荣为本文第一作者。

为了定量分析驰豫的发生，计算平均相互作用、平均吸附能和比应力能。平均吸附能、比应力能和平均相互作用能分别由吸附能、应力能和相互作用能计算得出。平均相互作用能和比应力能呈现出两种不同的模式。驰豫型基底的晶格失配性强，导致了较大的相互作用能和比应力能，从而形成了枝晶状晶胚。相比之下，匹配良好的吸附型基底表现出较小的平均相互作用能和比应力能，从而导致相干晶胚

金属的沉积最初涉及到基底上岛状胚的成核，随后生长导致形成更厚和连续的薄膜。在非均相沉积过程中，金属锂表现出异质外延特性。渡金属基底上锂沉积的形态，这对实现无枝晶锂金属电极提出了重大的科学挑战。

平均相互作用能和比应力能，这两个参数共同决定了驰豫的程度和胚胎的发育。研究结果表明，在成核阶段，驰豫型基底具有较大的平均相互作用能和比应力能。相反，吸附型基质表现出较小的平均相互作用能和比应力能，并倾向于相干胚。虽然在量化SEI对成核的影响方面存在局限性，但计时安培分析结果表明，弛豫型基底经历常规的三维生长，而吸附型基底经历多层生长。从成核到生长阶段，光学原位沉积实验结果显示出不同的行为:弛豫型基底呈现垂直于表面的生长趋势，而吸附型基底则表现出明显的多层生长倾向。每个基底上的沉积过程基本上受到两个关键阶段的影响:成核和生长。在成核阶段，平均相互作用能和比应力能的相互作用对胚的形成有重要影响。锂原子与基底表面的相互作用对锂胚的形态和稳定性起着至关重要的作用。

随后，生长阶段支配着晶核的形态演变，发现弛豫型基底表现出更不利的枝晶结构发展。此外，本研究中描述的见解和实验在电池化学的光谱中具有相关性，强调了考虑基底晶格和锂之间的兼容性对于确保锂金属电池中非均相沉积/溶解过程的可逆性的重要性。

通讯作者：杨程凯，北京大学理学博士，福州大学材料科学与工程学院副教授，硕导。福建省高层次人才。研究工作面向高效能源存储材料与化学，围绕电极表界面调控和溶剂化调变规律开展工作，提出了锂离子电池三元正极材料内部结构，并研究内部界面破碎规律，提出链反应机理并设计优化改进方案,拓展了电解质构造新方法，并给出特定溶剂化环境下的离子迁移动力学，并针对经典正负极材料进行改性应用。相关工作申请获批国家自然科学基金、福建省自然科学基金、山西省科技厅重点项目及企业横向项目等多个项目。以第一或者通讯作者在Adv. Mater., Energy Stor. Mater., Electrochemical Energy Reviews, Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett, JMCA, Small, J. Power Sources, J Energy Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Eng. J.等国际期刊上发表SCI论文50余篇。欢迎来信交流1058360340@qq.com。