北理工AFM：实用化复合锂负极中非活性锂累积机制的调控

第一作者：詹迎新

通讯作者：张学强*，黄佳琦*

单位：北京理工大学

金属锂有着极高的理论比容量（3860 mAh g⁻¹）和极低的还原电极电势（−3.040 V vs标准氢电极），被认为是高比能二次电池的理想负极材料之一。然而，金属锂在反复沉积/脱出过程中容易形成锂枝晶和发生体积膨胀等问题，导致锂金属电池的库仑效率低，循环寿命短。将三维骨架材料引入锂金属负极中，可以有效诱导锂均匀沉积，缓解锂的体积膨胀。

然而，即使骨架材料的引入，也不能完全消除非活性锂，在循环过程中也会有非活性锂的形成和累积，特别在实用化条件（高循环容量、低N/P比）下非活性锂的累积会更加显著，这严重的影响了复合锂金属负极的循环寿命。因此，为了进一步合理设计复合锂金属负极，揭示实用化条件下非活性锂在复合锂负极中的累积机制，特别在软包尺度上是十分重要。

基于此，北京理工大学的黄佳琦教授与张学强助理教授在Advanced Functional Materials上发表题为“Regulating the Two-Stage Accumulation Mechanism of Inactive Lithium for Practical Composite Lithium Metal Anodes”的研究工作。该文章揭示了实用化条件下非活性锂在复合锂金属负极中的累积机制，并对实用化条件下复合锂金属负极的设计提供了指导。

图1. 复合锂金属负极中非活性锂累积空间位置演变示意图。

在实用化测试条件下，软包电池中复合锂金属负极中非活性锂的空间位置演变行为存在两个阶段的变化。在第一个阶段，非活性锂主要累积在骨架的内部，导致极化缓慢的增加。骨架内部累积的非活性锂量增加，会阻碍锂离子到体相锂的传输，导致后期锂离子会优先在骨架表面沉积。因此，第二个阶段非活性锂主要累积在骨架的表面，骨架无法发挥限域死锂的作用，导致极化快速的增加，最终导致复合锂金属负极的失效。

要点二：运用三维X射线显微镜技术观测复合锂金属负极内部非活性锂的累积位置

传统的扫描电镜技术只能观察到复合锂金属负极的表面形貌及厚度信息，无法观察到复合负极内部的信息。该工作运用三维X射线显微镜技术来观测复合锂金属负极内部非活性锂的累积位置，由于复合锂负极内部各种组分的密度不同，可以清晰的区分各组分的位置及非活性锂在循环过程中空间位置的演变。

要点三：探究了复合锂金属负极中非活性锂两个阶段演变转折点的关键因素

实用化的条件下，会面临各种各样的测试条件。研究发现当固定循环容量，增加测试的电流密度时，会使非活性锂两个阶段演变的转折点前移；而固定电流密度，改变测试的循环容量时，对非活性锂两个阶段演变的转折点影响很小。这结果表明在复合锂金属负极中，电流密度是调节这两个阶段演变转折点的关键因素。此外，研究发现外部压力也是调节这两个阶段演变转折点的关键因素。

要点四：该非活性锂累积机制的研究将有助于指导复合锂金属负极的设计

为了延长复合锂金属负极的循环寿命，我们需要将循环过程中累积的非活性锂主要限域在骨架结构的内部，避免非活性锂在骨架的表面大量堆积。所以，可以通过减少复合锂金属负极中死锂形成和调整复合负极中骨架材料的孔结构角度出发设计复合锂负极。

Regulating the Two-Stage Accumulation Mechanism of Inactive Lithium for Practical Composite Lithium Metal Anodes

张学强，北京理工大学前沿交叉科学研究院助理教授，主要从事二次电池中固液界面电化学过程及设计的研究工作，聚焦于新型高比能金属锂电池、锂硫电池等。2016年本科毕业于天津大学化工学院，2021年于清华大学化工系获得博士学位。

以第一/通讯作者在Sci Adv, JACS, Angew Chem, Chem, Joule, Mater Today, J Energy Chem等期刊发表SCI论文20余篇，h因子39。授权中国发明专利4项。担任Chinese Chemical Letters青年编委和Adv Mater, Adv Energy Mater等期刊独立审稿人。2021年入选科睿唯安全球高被引科学家。

黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。发表SCI论文100余篇，其中60余篇为ESI高被引论文，h因子92。

担任中国颗粒学会青年理事会理事，J. Energy Chem.、InfoMat编委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年编委。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖，2018年国家万人计划青年拔尖人才，2020年北京市杰出青年科学基金等；2018-2021年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。

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