通讯作者：王健博士、张静博士、Stefano Passerini教授、蔺洪振研究员
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08480
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人们对消费类电子产品、电动汽车和智能电网存储日益增长的依赖和需求刺激了对高能量密度可充电电池需求的增长。锂金属负极因较高的理论比容量被视为高能量密度电池的“圣杯”，具有高能量密度电池的潜力。然而，锂负极的实际应用受限于锂枝晶形成、固体电解质界面（SEI）的反复形成与破裂以及体积膨胀等问题，导致严重的锂损失甚至严重的安全隐患。目前，锂金属负极的研究主要集中在如何抑制枝晶形成以提升电池能量密度并延长电池寿命。基于课题组在锂金属电池中取得的显著进展，中科院苏州纳米所蔺洪振研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士、Stefano Passerini教授及西安理工大学张静博士，受邀在国际知名期刊ACS Nano中发表题为“Towards Dendrite-free Metallic Lithium Anodes: from Structural Design to Optimal Electrochemical Diffusion Kinetics”的综述文章。根据目前的研究动态并结合课题组的相关研究进展，系统总结了常用的锂金属SEI界面工程调控和3D集流体设计的策略，以及新兴电化学催化策略以加速-改善锂离子/原子的扩散过程及动力学。
背景介绍
锂金属负极因其高容量和低还原电位等优点，成为实现高能量密度电池的理想选择。然而，锂金属负极的大规模商业化仍然受到众多技术挑战的困扰，如：1）金属锂的高反应性，与电解液成分反复相互作用，形成不连续的固体电解质界面（SEI）层，消耗直至耗尽有限的电解液；2）不均匀沉积导致锂枝晶生长并从根部断裂，形成孤立的“死锂”，降低了锂的利用率；3)不稳定的 SEI 和“死锂”的脱落引起的大体积变化。为了克服这些挑战并实现 锂金属电池（LMBs） 的商业化，研究人员从多角度在锂金属保护和电池性能优化方面做了大量的工作。
根据目前的研究及团队在前期的研究进展，发现构筑人工结构的SEI层能够有效抑制枝晶的生长（Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; Energy Storage Mater. 2022, 52, 210；Chem. Eng. J. 2022, 446, 137291; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434；ACS Appl. Mater. Interface 2019, 11, 30500 Adv. Energy Sustain. Res. 2022, 2100187），进一步研究发现缺陷或者单原子催化剂/活化剂改善内部电子再分配、产生本征活性位点或协同位点，提升催化活性的有效方法可以降低锂离子/原子扩散势垒有助于提高锂动力学行为以获得长的锂电池循环寿命（Nano Lett. 2022, 22, 8008; Adv. Sci. 2022, 2202244；Nano Lett. 2021, 21, 3245；Chem. Eng. J. 2022, 429, 132352; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246；Energy Storage Mater. 2020, 28, 375；ChemSusChem 2020, 13, 3404；J. Mater. Chem. A 2020, 8, 22240；Chem. Eng. J. 2020, 417, 128172；Energy Storage Mater. 2019, 18, 246；Energy. Environ. Mater. 2022, 5, 731）。本综述首先系统总结了刚柔并济高离子电导率的SEI结构设计思路，并根据 SEI 的物理化学特性进行分类：从无机层、有机层到有机无机杂化层的递进。其次，回顾了最近采用3D金属/碳集流体来负载热熔锂金属，以通过降低局部沉积电流密度来捕获和均匀初始锂形核的文献。最后，从最根本的电化学动力学角度总结了利用合金层或高活性单原子催化剂（SACs）调节锂离子/原子扩散动力学的最新方法并深入阐述了潜在的机制。
要点赏析
要点一：锂沉积动力学过程概述及动力学相关扩散及沉积行为。
要点二：回顾和讨论锂金属表面 SEI 的稳健界面工程设计的。
要点三：总结和介绍亲锂性3D多孔集流体的结构设计和优化。
要点四：锂扩散动力学的电化学调控促进无枝晶平滑锂沉积的发展。
图文解析
图1锂沉积过程中锂离子/原子溶剂化、脱溶、转移和迁移的一个系列"反应"及枝晶生长原理示意图
图2 刚柔相济有序有机/无机复合SEI层设计及抑制锂枝晶生长的效果
图3 有机/无机复合SEI层的界面兼容性设计/解决方案及对锂沉积行为的影响
总结与展望
近年来，高能量密度电池方面引起了科研界与企业界的极大兴趣。然而，锂金属电池的大规模利用受限于不受控制的锂枝晶生长、大的体积变化、SEI变形与破裂及电解质耗尽等。该综述系统地总结并讨论了调节稳定锂负极的锂电沉积行为的界面工程策略，以优化 SEI 层结构设计以形成稳定的锂金属电极。此外，还探索了用于负载金属锂的亲锂多孔集流体的设计，以降低局部沉积电流密度。最后，探索了通过施加合金层或高活性 SACs 来调节锂离子/原子扩散的动力学。然而，使用合金或 SACs 调控扩散动力学的策略仍处于起步阶段，需要进一步研究以开发用于实际高能量存储系统的 LMBs。未来的研究应重点关注以下四个领域（图 11）：可控合成高浓度SACs的调控层；原位可视化以追踪深度电沉积行为中的锂原子电镀/剥离演变；结合理论模拟与机器学习认知界面锂电沉积的动态过程；大型软包电池中评估制备锂金属负极的效果。
作者介绍
王健 博士，洪堡学者，现工作于德国KIT-HIU电化学能源研究所，曾主持德国洪堡研究项目、江苏省人才项目、江苏省自然科学基金，参与国家自然科学基金、科技部重点研发项目。研究方向为高性能二次电极设计与合成及原位表征手段，重点研究高活性单原子催化剂与缺陷催化剂在电池中的应用，并探索电池的相关工作催化机制。到目前为止，已发表论近50余篇，其中第一/通讯作者在Nano Lett.、Energy Storage Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、 Adv. Sci.、Nano Energy、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J、J. Mater. Chem. A、J. Phys. Chem. Lett.、 ChemSusChem、J. Power Sources 和 ACS Appl. Mater. Interface等期刊发表27篇高被引ESI论文2篇，担任Nat. Commun.、Chem. Eng. J.、Nano Res.、电化学等高水平期刊独立审稿人。授权10项国家发明专利，在国际会议多次汇报研究进展。
E-mail:jian.wang@kit.edu、wangjian2014@sinano.ac.cn
张静 博士，西安理工大学青年教师，2022年获陕西省自然科学基础研究计划（青年项目）资助。研究方向为高性能锂金属电池电极表面界面结构设计、制备和表征。目前，以第一/通讯作者在Nano. Lett.、ACS Nano、nergy Storage Mater. 、Adv. Sci.、J. Mater. Chem. A、Energy Environment. Mater. 和Chem. Eng. J.等国际知名期刊上发表论文13篇（其中IF>10，共10篇）授权国家发明专利1项。
E-mail: zhangjing2020@xaut.edu.cn
Stefano Passerini院士，现为德国乌尔姆亥姆霍兹研究所，卡尔斯鲁厄理工学院的教授，从事电化学储能材料和系统的开发工作，研究方向为锂等二次电池材料的机制研究和开发，如离子液体、聚合物电解质和电极材料。在国际重要期刊发表240 多篇同行评议文章。主持由欧盟、BMBF（德国联邦教育和研究部）、亥姆霍兹学会和工业界资助的多项研究工作，被授予了电化学学会电池部的研究奖。
蔺洪振 研究员，现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生导师、课题组长。研究方向为原位界面和频振动光谱技术的开发与运用、高能量二次电池的电极设计与制备、石墨烯材料的相关运用。着重发展了原位和频振动光谱技术，搭建仪器设备和拓展其原位（工况）表征功能的相关光谱技术，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、JACS、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Angew.Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、J. Phys. Chem. Lett.、Small、ACS Nano和Nanoscale等物理化学及纳米研究领域国际重要期刊上发表学术论文近110篇。
E-mail: hzlin2010@sinano.ac.cn
文献来源
Jian Wang, Linge Li, Huimin Hu, Hongfei Hu, Qinghua Guan, Min Huang, Lujie Jia, Henry Adenusi, Kun V. Tian, Jing Zhang, Stefano Passerini, and Hongzhen Lin，Toward Dendrite-Free Metallic Lithium Anodes: From Structural Design to Optimal Electrochemical Diffusion Kinetics, ACS Nano 2022, DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08480
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.2c08480
课题组招聘
蔺洪振团队欢迎有志于科研对能源电池及界面表征方向感兴趣的同学，现招数名博士后，待遇具体面谈。
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