寧波材料所姚霞銀/彭哲&華南理工劉軍等: 鋰金屬負極顯著改善新策略

研究背景

開發下一代高比能、長壽命儲能電池是當前儲能科學界所面臨的重大挑戰。具有高理論比容量（3860mAhg^-1）和最低電化學電位（-3.04Vvs.標準氫電極）的鋰金屬被認為是理想的高比能電池負極材料。

然而，鋰金屬的不可控枝晶生長和高反應活性易導致電極在循環中發生劇烈體積膨脹，致使電極界面破裂并引發鋰與電解質的快速副反應，極大降低了鋰金屬電極的循環可逆性。

通過構筑親鋰性界面降低鋰金屬沉積過電勢進而抑制鋰枝晶生長，是一種有效的鋰金屬保護策略。大量鋰合金材料已被證明具有顯著的親鋰特性。然而，以銀為代表的高親鋰性合金界面往往與鋰合金程度較深，容易在反復循環中發生材料疲勞粉化現象，限制其對鋰的保護效果。

因此，突破合金界面高親鋰性和高粉化率的相互制約，對發展鋰金屬電池具有重要意義。

研究內容

近日，中科院寧波材料所姚霞銀研究員、彭哲研究員與華南理工大學劉軍教授提出雙合金界面的鋰金屬負極改善策略，構筑了以銀作為親鋰內核和鋅作為擴散外層的微結構合金界面，顯著改善了親鋰性合金界面的結構穩定性和鋰保護長效性。

該結構中鋅擴散外層具有相對較低的鋰固溶性、較高的鋰擴散系數，可以作為有效的鋰沉積緩沖層和擴散層，實現內部更加均勻的鋰銀合金過程并抑制其體積膨脹，表現出良好的親鋰特性和鋰離子傳輸性能。

同時，微觀形貌觀察進一步證實了雙合金界面對鋰沉積均勻性的調控能力。使用雙合金界面的對稱電池能夠在1mAcm^-2和4mAhcm^-2條件下以較小的極化電壓穩定循環超過600小時。

此外，將雙合金界面應用于高負載LiFePO₄的鋰金屬全電池同樣表現出良好的循環性能，證明雙合金界面改善策略在鋰金屬保護上的優異性。

該工作以“Highly reversible Li metal anode using a binary alloy interface”(《雙合金界面助力高可逆鋰金屬負極》)為題發表在國際期刊Chemical Communication上。華南理工大學材料科學與工程學院博士生陳家和與中科院寧波材料所孫澤鈞（現新加坡國立大學博士生）為本文共同第一作者。

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