加拿大西安大略大学赵阳课题组 AFM：锂金属负极界面设计的洞见：有机富集还是无机富集

第一作者：王一佳

通讯作者：赵阳*，曹长宏*，陈磊*

单位：加拿大西安大略大学，加拿大麦吉尔大学，美国密歇根大学−迪尔伯恩分校

重复镀/剥离锂金属时产生的固体电解质界面中的微裂纹和表面异质性，加剧了界面断裂传播和树枝状生长，导致了不理想的库仑效率和有限的锂金属负极循环寿命。混合界面，如双层结构、有机–无机合金和层状结构，已被开发为有效的方法，用于控制锂金属负极人工界面的组成和性能，从而显著提高电化学性能。然而，仍有许多问题尚不清楚。例如，如何制备具有可控有机–无机比例的混合界面尚未被探索。此外，界面有机–无机比例对机械性能、扩散动力学和锂树枝形成的潜在影响鲜有研究，以及对于锂金属负极，有机富集界面还是无机富集界面更为有利？本研究设计了具有控制的有机–无机比例的混合人工界面，并深入研究了它们对电化学-力学性能的影响。这项工作为锂金属负极混合人工界面的设计提供了新的理解，并为基于锂金属化学的下一代高能密度电池系统的实现开辟机遇。

近日，来自西安大略大学的赵阳教授与麦吉尔大学的曹长宏以及密歇根大学的陈磊教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Insight into the Interface Design for Li Metal Anode: Organic-Rich or Inorganic-Rich”的文章。该研究实现了三种典型的界面组成：有机富集界面、有机–无机平衡界面和无机富集界面。混合界面的不同有机–无机比例导致了对锂金属负极的机械性能、亲锂性、扩散动力学和锂枝晶形成的调控。

人工SEI采用了外层为有机物Alucone的设计，这种材料具有灵活性，并能够实现无枝晶沉积；内层采用了无机物TiO₂，与广泛研究的Al₂O₃相比，TiO₂表现出更快的扩散动力学，并能有效抑制枝晶生长。

通过对不同混合界面机械性能的研究发现，调节混合界面中的有机-无机比例对弹性模量的影响较小。然而，与有机富集界面（L1_Li）和有机-无机平衡界面（L2_Li）相比，无机富集界面（L3_Li）能够承受更高的塑性变形，这能够更有效地抑制锂枝晶的形成和穿透。

无机富集界面实现了无枝晶的锂金属负极，在3 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²的条件下，具有稳定、长寿命（>3000小时）和低电压滞后（≈150 mV在3000小时），其性能优于仅有无机或有机材料的界面，并显著增强了锂金属负极的循环性能。L3_Cu在0.5 mA cm⁻²、0.5 mAh cm⁻²条件下，实现了300个循环中平均锂镀/剥库仑效率超过98.1%，而裸铜（Cu）仅表现出平均库仑效率为93.6%。当镀锂容量增加到1 mAh cm⁻²时，L3_Cu在前150个镀/剥循环中实现了97.1%的平均库仑效率，而裸铜电流收集器仅显示出88.1%的平均库仑效率。L3_Li | LFP全电池提供了高初始比容量143 mAh g⁻¹，在475个循环中库仑效率超过99%。

赵阳教授简介：加拿大西安大略大学机械与材料工程系的助理教授。他的研究方向包括先进材料及界面工程、能量储存和转化、及先进表征技术。他已在包括Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Joule, Matter, Adv. Mater., EES, Angew等期刊发表了140多篇论文，引用超过14,000次。他在2019-2023年间被列为全球前2%的科学家。他担任2022年ACS春季会议、2023年ACS秋季会议、2024年MRS春季会议等国际会议的分会场联合组织者。课题组常年招收博士后及博士生，如果感兴趣，请联系赵阳教授（yzhao628@uwo.ca）。课题组网站：https://www.eng.uwo.ca/mies/