Batteries & Supercaps：压力响应的人工界面层实现无枝晶锂金属负极

金属锂具有最高的理论容量和最低的电化学电势，被认为是最为理想的负极材料。然而锂枝晶的生长问题严重阻碍的金属锂负极的商业化进程。根据锂的沉积机理，锂更趋于沉积在锂芽的尖端，从而增加了锂尖端的电流密度（即 “尖端效应”），导致锂枝晶的生长沿垂直方向进行（如图1a所示）。因此，抑制锂枝晶生长最理想的办法是尽可能在最初阶段对锂枝晶进行“灭活”处理。

图1. 锂沉积示意图：(a)由于Li芽尖端电场增强，“尖端效应”吸引了更多的锂离子，导致以尖锐枝晶的快速生长；(b) BaTiO₃人工界面层因压电效应产生内部电场降低了Li芽尖端的电场强度，使得Li 沉积更为均匀而抑制了枝晶生长

近日，华中科技大学郭新教授和杨辉教授团队计了一种压力响应的BaTiO₃基人工界面层，重新调整了Li/电解质界面的电流密度分布，实现了锂的均匀沉积，达到了抑制锂枝晶生长的目的。BaTiO₃是一种典型的压电材料，在受到压力的时候，能够自发产生极化电场。在锂枝晶产生的最初阶段，锂芽的凸起部位挤压BaTiO₃层的空间，在界面处形成了内部极化电场，有效降低了锂芽尖端的电场强度，并在界面层上下侧产生等量的正负电荷。在上表面正电荷的作用下，锂趋向于在凸起锂芽根部沉积，而非沉积在锂芽尖端的应力中心。因此，锂尖端处的电流密度显著降低，促进了界面处的锂离子通量均匀化，从而进一步抑制了锂枝晶的垂直生长（图1b）。随后，有限元分析证明了BaTiO₃层对锂负极界面锂离子通量均匀化的积极作用。

在BaTiO₃人工界面层的保护下，Li||Li对称电池能够循环超过1000 h且无枝晶生成；在200次的循环过程中，Li的平均库伦效率超过98.6%，明显优于无保护的Li负极。此外，BaTiO₃人工界面层的保护的Li负极在Li||LiFePO₄，Li||S及Li||NCM811电池中均表现了显著提高的电化学性能。其中，Li||LiFePO₄电池放电比容量为~154 mA h g^-1，200次循环后容量保持率达99.1%；Li||NCM811电池的放电比容量为196.7 mA h g^-1，200次循环后容量保持率大于80%；Li||S电池在经过200次循环后，仍然具有>700 mA h g^-1的放电比容量。

论文信息

A Pressure Responsive Artificial Interphase Layer of BaTiO₃ against Dendrite Growth for Stable Lithium Metal Anodes

Dr. Zhuo Li, Rui Yu, Siwei Gui, Prof. Hui Yang, Prof. Xin Guo

Batteries＆Supercaps

DOI: 10.1002/batt.202200142