Interrelation Between External Pressure, SEI Structure and Electrodeposit Morphology in an Anode-Free Lithium Metal Battery
Adv. Energy Mater. 2024, 14, 2302261.
【背景】
以金属锂为负极活性物质是>400 Wh/kg锂二次电池体系的关键技术，然而锂层厚度需控制在<50 μm（甚至<20 μm），加工制备该种薄层金属锂难度大、成本高。采用“空白”铜箔作为负极、构筑“无锂负极”电池体系（AFLMBs），既可以较实现材料的简便高效制备，也可以适配高镍三元正极进一步突破电池能量密度（>500 Wh/kg）。
碳酸酯电解液是匹配高镍正极的较合理选择（氧化电位高），而该电解液中易发生负极侧SEI层不稳和锂枝晶生长。由于负极侧完全无活性锂库存，碳酸酯电解液AFLMBs往往循环表现较差。提高电芯堆栈压力（MPa级别）可提高负极侧的循环效率和AFLMBs的性能，然而多孔PP/PE隔膜难以承受长期的高压作用，特别是浸泡电解液以后隔膜力学性质还会进一步“软化”，隔膜受力破裂是电池短路失效的元凶。理解堆栈压力、SEI层结构和锂沉积反应的相互关联，提出策略实现较低堆栈压力下AFLMBs的稳定工作，具有重要价值。
【研究简介】
本文作者系统研究了不同堆栈压力下AFLMBs负极侧的反应机制，发现高堆栈压力（10 MPa）的有益作用主要在于提高SEI及锂初始晶核在铜箔表面分布的均匀性，该种表面均匀性可降低反应的阻抗、稳定沉积反应而促进形成致密的锂沉积层。在此基础上，作者提出在负极表面构筑“锂化石墨烯”作为引晶层（seeding layer），通过高品质石墨烯（pG）在电解液中的钝化反应形成均一SEI，再通过LiC6的异质形核作用促进负极表面锂形核点的均匀分布，实现了较低堆栈压力下（~1 MPa）、碳酸酯电解液中AFLMBs的性能突破：1 mA/cm2（3 mAh/cm2）条件下的沉积-电解效率达到99.8%以上，适配高负载的三元材料正极（21 mg/cm2）实现了200圈稳定循环。
【总结展望】
本文通过系统研究堆栈压力对AFLMBs电池负极侧反应机制的影响，明确了SEI层和锂晶核的分布均一性是制约AFLMBs循环性能的关键因素。通过构筑高品质石墨烯（pG）引晶层实现了电解液在负极表面还原反应历程的调变，进而获得理想组分和均一分布的SEI层；充电早期pG层原位转化为LiC6亲锂层，改善锂晶核的分布均匀性。基于引晶层与较低堆栈压力（1 MPa）的协同作用，构筑了兼容碳酸酯电解液和高镍高压实三元材料的AFLMBs，并获得优异的循环性能。该工作为>500Wh/kg的超高能量密度锂二次电池设计构筑指明了方向和路径。
第一作者：刘慰
通讯作者：刘慰、David Mitlin；通讯单位：四川大学、UT Austin
原文链接（selected as back cover）： https://doi.org/10.1002/aenm.202302261
