武汉理工大学何大平教授、深圳大学杨金龙副教授JMCA观点：采用一种双重约束锂成核和生长的设计实现无枝晶锂金属负极

采用一双重约束锂成核和生长的设计实现无枝晶锂金属负极

第一作者：李伦

通讯作者：杨金龙*，何大平*

单位：武汉理工大学，深圳大学

锂金属由于具有超高的理论容量(3860 mAh g^-1)、较低的电化学电位(与标准氢电极相比为- 3.04 V)，被认为是下一代最具吸引力的锂电池负极材料。

然而，锂枝晶的生长和死锂的形成，往往导致锂金属负极产生低的库伦效率，无限的体积膨胀及严重的安全问题，尤其是在高电流密度/沉积容量或者长期循环下，这种忧患尤为显著，这一问题从根本上阻碍了锂金属电池的实际应用。锂枝晶的形成依赖于无序的成核和不可控的生长两个阶段，因此要想抑制枝晶的产生，必须同时优化和均匀锂的成核和生长两个过程。

基于此，来自武汉理工大学的何大平教授与深圳大学的杨金龙助理教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“A Dual-confined Lithium Nucleation and Growth Design Enables Dendrite-free Lithium Metal Battery”的文章。武汉理工大学材料科学与工程学院博士研究生李伦为本文第一作者，傅华强为本文共同一作。

该文章提出了一种双重约束锂形核和生长的策略，通过合理的设计将尺寸均匀的Ag纳米晶粒(Ag NCs)附着在氮掺杂的还原氧化石墨烯(rGO)基底上，构建一种稳定的、超亲锂的锂负极材料。

首先，密度泛函理论（DFT）结果表明氮掺杂位点可以与Ag NCs协同构建亲锂的Ag/N界面，使锂均匀而丰富地成核。

随后，通过固溶反应形成Li-Ag合金相并覆盖在Ag NCs表面。进一步的COMSOL模拟表明沉积的锂沿着Li-Ag合金相周围进行一个均匀的外延生长，直到所有锂片相互连接形成一个光滑/致密的表面。基于此，所制备的Ag/N-rGO电极具有高且稳定的库伦效率（>99.1%），在2 mA cm^-2的电流下具有超过1200小时以上的超长寿命。此外，组装的LiFePO4//Li@Ag/N-rGO全电池表现出优异的倍率性能、较低的极化电压和超过500次的循环稳定性。

1. 在Ag/N-rGO电极中同步约束锂形核和生长以构建稳定的锂金属负极。DFT计算与实验观察到的结果完美吻合，表明吡啶N和吡咯N位点与Ag NCs协同形成了一个超亲锂的Ag/N界面，这正是锂均匀形核的根本原因。

2. COMSOL模拟结果表明，初期形成的锂核能够顺利地扩散到Ag NCs中，并在其表面诱导Li-Ag合金化反应。这种固溶基合金相使得表面新出现锂原子更容易扩散到合金中，形成曲率半径增大的覆盖面，从而完全抑制Li枝晶的生长。

何大平教授 简介：2002-2013年获得武汉理工大学材料科学与工程专业学士、硕士、博士学位，2013-2017年先后进入中国科学技术大学、英国巴斯大学、英国剑桥大学从事博士后工作；主要研究方向为功能化石墨烯材料的制备与应用，特别是新型石墨烯材料的合成与结构调控、石墨烯复合型材料在新能源设备、传感器、射频微波器件的应用。主持科技部重大专项课题、国家自然科学基金、军工以及企业项目等10余项；申请国家发明专利19项，已授权6项，转化落地 2项。目前已在Nature Communication, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Carbon等国际知名期刊上发表学术论文80余篇，论文他引次数为2400余次，H指数为25。

A Dual-confined Lithium Nucleation and Growth Design Enables Dendrite-free Lithium Metal Battery

https://doi.org/10.1039/D2TA01536F