背景介紹

鋰（Li）金屬具有高的理論比容量和最低的電化學勢，被視為高能電池負極材料的最終選擇。然而，由枝晶引發的安全問題阻礙了鋰金屬電池的實際應用。設計穩健的人工固體電解質界面相（ASEI）可以有效調節Li沉積行為，避免枝晶帶來的安全隱患。然而，研究者們對于異質界面相的內在調節機制還未完全闡明。

基于此，電子科技大學李白海教授課題組在國際期刊Nano Res.上發表題為“Synergy of in-situ heterogeneous interphases tailored lithium deposition”的研究工作。該工作通過引入氟化氮化硼（F-BN）涂層原位構建了含LiF和Li3N的異質ASEI，并在理論和實驗上探究了ASEI中異質組分的協同作用機制。結果表明，Li3N具有較高的吸附能和較低的離子擴散勢壘，有利于鋰離子的快速傳輸，避免其局部聚集演變成枝晶。F-BN基板和LiF都具有高電子隧穿勢壘的界面穩定性，可以防止電解質分解和寄生反應的發生。同時，F-BN的高剛度確保了一旦鋰枝晶生長就會受到壓制。得益于異質ASEI的協同作用，這項工作實現了在1 mA cm-2的電流密度下，對稱電池以低于20 mV的過電位穩定循環超過900小時，在0.1 C倍率下無陽極全電池穩定循環146圈。這項工作有助于利用界面中有益組分的協同效應調節鋰沉積來構建無枝晶鋰金屬電池。

圖1 異質SEI的內在協同機制示意圖

文章要點

要點1：異質中間相的構建和表征。通過對氮化硼（h-BN）氟化在銅箔上構建了氟化氮化硼（F-BN）涂層，測得F-BN ASEI具有超高的離子電導率和離子轉移數，有望加速Li+的快速傳輸，促進鋰均勻沉積。同時這種ASEI電子絕緣并對電解質有良好的潤濕性，有利于穩定電極/電解質界面。

要點2：鍍鋰/剝鋰穩定性評估。采用最優厚度（7.9 μm）的F-BN ASEI降低了鋰的成核過電位，實現了鋰的均勻沉積，改善了界面處的鋰電鍍/剝鋰能力。此外，在Li2S作為陰極材料的無陽極全電池中減緩了容量衰減，展現出改善的鍍鋰/剝鋰效率。

要點3：異質中間相的協同機制。通過密度泛函理論 （DFT）證實了F-BN ASEI異質中間相調節鋰沉積的協同機制，Li3N具有較高的吸附能和較低的離子擴散勢壘，有利于Li+的快速傳輸，避免其局部聚集演變成枝晶。F-BN和 LiF 都具有高電子隧穿勢壘和界面穩定性，可防止電解質分解和寄生反應。F-BN ASEI中的LiF和Li3N能優勢互補，協同促進Li+快速傳輸通過ASEI層，實現了涂層下方的無枝晶鋰沉積，為鋰金屬電池的長期循環提供穩定的環境。

圖2 鋰沉積動力學機理研究

結 論

這項工作通過構建含LiF和Li3N的ASEI，揭示了異質中間相在調節鋰沉積行為中的協同機制。兩種組分通過調節ASEI的電子結構和導離子能力促進Li+的快速傳輸，實現鋰的均勻沉積，避免產生枝晶。此外，ASEI的電子絕緣特性阻止了電解質分解和界面寄生反應，為鋰電鍍/剝離提供了穩定的環境。這項工作為固態電解質中間相的機理探究和合理設計提供了重要指導。

審核編輯：郭婷