李泉教授， AFM论文：保有{110}织构以实现锂金属负极在高倍率情况下的性能提升

第一作者：胡希韬，高尧

通讯作者：李泉*

单位：香港中文大学

锂金属以较高的容量（3860 mAh/g）和最负的电势（-3.040 V vs 标准氢电极），被认为是非常有吸引力的下一代锂电池负极材料。但是，枝晶的生长和与电解液的副反应严重阻碍其实际应用，而且这些问题随着电流密度的提高而加重。理论研究表明，{110}晶面是最理想的沉积/剥离晶面，因为该晶面在实际电池工作范围内拥有最低的表面能和表面扩散势垒。所以拥有{110}织构的锂金属负极可以有效缓解上述问题。不幸的是，与无织构锂箔一样，{110}织构锂箔在高电流密度下循环寿命出现显著下降。本工作分析了高电流密度导致性能下降的原因，并通过小电流密度修复{110}晶面，实现大电流密度下电池循环寿命的提升。

近日，来自香港中文大学的李泉教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Preserving the Li {110} texture to achieve long cycle life in Li metal electrode at high rates”的文章。该文章分析了{110}织构锂箔在大电流密度情况下性能下降的原因，并通过引入低电流密度修复{110}晶面，从而实现大电流密度下循环寿命的提升。

实验表明，锂金属电极的表面形态受初始晶面取向的影响。{110}织构可以实现锂离子光滑和致密的电镀，有利于维持电池循环时的稳定。在高循环电流密度下，锂镀层晶粒尺寸较小，从而导致表面积显著增大，从而加剧与电解质之间副反应——这是所有锂金属电极的普遍问题，无论其初始晶体取向如何。此外，{110}织构负极的特殊问题是在高电流密度循环时，{110}织构比例快速下降，导致的形态加速恶化，循环寿命缩短。

低电流密度下得以实现{110}织构的修复。因为{110}晶面在电池工作环境中具有最低晶面能。这意味着在热力学控制下，例如在低电流密度下，镀锂层倾向于暴露{110}晶面。同时由于在低电流密度下电镀锂颗粒尺寸增大，其表面积得以降低，从而抑制锂金属与电解液的副反应。

在大电流密度/高倍率循环下的对称电池/全电池引入低电流密度/倍率修复圈，循环寿命显著提升，证明了该策略的有效性。同时也证明了在循环过程中保有{110}织构，可以有效延长电池寿命。

Preserving the Li {110} texture to achieve long cycle life in Li metal electrode at high rates

李泉 教授简介：李泉教授现为中大物理系教授，1997 年获得北京大学化学学士学位，及后于美国西北大学（伊利诺州）材料科学与工程学系取得哲学博士学位。李教授于 2002 年加入中大物理系担任助理教授，2007 年及 2011 年先后晋升为副教授及教授。李教授为材料科学专家，研究领域横跨能源材料及器件、生物医学等。李教授及团队成功开发了具高灵敏度的量子传感器及测量方案，以解决凝聚态物理、生物医学和能源领域面对的挑战。李教授的研究成果于多份学术期刊发表，包括《自然—纳米技术》、《自然—通讯》等，备受国际关注。李教授带领数个大型国际合作项目，并多次获邀于国际会议作主题演讲。

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