由于鋰金屬負(fù)極具有超高的理論容量和最低的電化學(xué)電位，鋰金屬電池被認(rèn)為是下一代高能儲(chǔ)能系統(tǒng)中極有前途的候選者。然而，鋰枝晶的不可控生長(zhǎng)已成為鋰金屬負(fù)極在高性能可充電鋰電池中實(shí)際應(yīng)用的最大障礙。

圖1. 本文提出的中間層生長(zhǎng)機(jī)制和結(jié)構(gòu)表征

在此，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授、安琴友研究員等人通過(guò)簡(jiǎn)單的冷凍干燥過(guò)程合成了一種由毫米級(jí)、單晶和鋸齒狀LiF納米纖維編織而成的獨(dú)特LiF中間層（LiF-NFs-IL），以實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶和高效的鋰金屬沉積。電子顯微鏡表征證明了“冰升華”誘導(dǎo)的LiF-NFs沿 <111> 取向的垂直結(jié)晶生長(zhǎng)機(jī)制，通過(guò)抽濾制備的多孔LiF-NFs-IL表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、潤(rùn)濕性和高Li⁺遷移數(shù)。

當(dāng)將其用于鋰金屬電池時(shí)，它會(huì)誘導(dǎo)形成“富含LiF-NFs”的SEI，LiF-NFs和有機(jī)/無(wú)機(jī)物種之間的連續(xù)Li⁺傳輸界面降低了SEI電阻，SEI和鋰金屬之間的另一個(gè)Li-LiF界面為減少Li⁺吸附和成核能壘提供了親鋰位點(diǎn)。同時(shí)，Li-LiF界面之間Li⁺的高擴(kuò)散能壘導(dǎo)致Li生長(zhǎng)速率低，有利于Li的平坦和致密沉積。

圖2. 原位光學(xué)觀察和鋰沉積形態(tài)

因此，在1 mA cm^-2和4 mAh cm^-2時(shí)，具有LiF-NFs-IL的對(duì)稱Li//Li電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（1600小時(shí)）和低過(guò)電位（~30 mV）。此外，基于LiF-NFs-IL的Li//rGO-S電池在1 C時(shí)仍顯示出528 mAh g^-1的高比容量，在17.9 mA cm^-2時(shí)以高達(dá)5.65 mAh cm^-2的面積容量可穩(wěn)定循環(huán)400小時(shí)，大大超過(guò)了商業(yè)鋰離子電池（3~4 mAh cm^-2）。

當(dāng)與高負(fù)載NCM-811正極（8.3 mg cm^-2）配對(duì)時(shí)，具有LiF-NFs-IL涂層的鋰金屬負(fù)極在0.5 C下200次循環(huán)后具有85%的高容量保持率和低電壓滯后。甚至，LiF-NFs-IL還非常容易集成到各種液體甚至固體鋰金屬電池中?？傊?，這種獨(dú)立式LiF-NFs-IL在商用鋰電池中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，并顯示出擴(kuò)展固態(tài)鋰電池應(yīng)用的巨大潛力。

圖3. 基于LiF-NFs-IL的鋰金屬電池的電化學(xué)性能

Serrated lithium fluoride nanofibers-woven interlayer enables uniform lithium deposition for lithium metal batteries, National Science Review 2022. DOI: 10.1093/nsr/nwac183