鋰金屬因其高容量（3860 mAhg^-1）和相關(guān)的低充電電壓而被認(rèn)為是鋰二次電池下一代負(fù)極的最終選擇。然而，鋰的電沉積/溶劑化往往是非平面的，存在金屬枝晶、金屬空隙和不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)相（SEI）。

在此，美國德克薩斯大學(xué)David Mitin、四川大學(xué)劉慰等人探討了外部壓力（0.1、1 和 10 MPa）、固體電解質(zhì)界面（SEI）結(jié)構(gòu)/形態(tài)與鋰金屬沉積/剝離行為之間的相互關(guān)系。為了模擬無負(fù)極鋰金屬電池（AF-LMB），對商用碳酸酯電解液中的 “空 “銅集流體進(jìn)行了分析。較低的壓力會促進(jìn)富含有機(jī)物的 SEI 和宏觀上異質(zhì)的、絲狀的鋰沉積物，其中夾雜著孔隙。較高的壓力可促進(jìn)富含 F 的無機(jī) SEI，形成更均勻、更致密的鋰膜。

在 1MPa 壓力下可實現(xiàn)優(yōu)異電化學(xué)性能：其半電池在 1 mA cm^-2 -3 mAh cm^-2 容量（17.5 μm 沉積/剝離）條件下經(jīng)過 300 小時（50 個循環(huán)）后保持穩(wěn)定，循環(huán)庫侖效率 (CE) 為 99.8%。采用高負(fù)載 NMC622 正極（21 mg cm^-2）的 AF-LMB 電池在 C/5 充電和 C/2 放電（1C = 178 mA g^-1）條件下循環(huán) 200 次，CE 為 99.4%。

圖1. DFT計算

總之，該工作采用了一層直接涂覆在集流體上的原始石墨烯（pG@Cu），證明增強(qiáng)金屬潤濕性能直接替代較高的壓力來穩(wěn)定鋰的電沉積/剝離化行為。研究表明，石墨烯層可使無負(fù)極鋰金屬電池（AF-LMB）在1 MPa中實現(xiàn)穩(wěn)定的電沉積/剝離。pG層與 1 MPa 低壓之間的協(xié)同作用實現(xiàn)了鋰在整個長循環(huán)過程中的平面沉積，使半電池的庫侖效率 (CE) 達(dá)到 99.8%，并實現(xiàn)了高容量負(fù)載全電池的穩(wěn)定循環(huán)。

此外，密度泛函理論 (DFT) 表明溶劑化的 Li⁺ 在 Cu (100)、(110) 和 (111) 不同晶面上的吸附能與石墨烯鋰化/去鋰化的吸附能之間的差異，從而揭示了支撐表面能量在促進(jìn) SEI 異質(zhì)性方面的作用。

圖2. 電池性能

Interrelation Between External Pressure, SEI Structure, and Electrodeposit Morphology in an Anode-Free Lithium Metal Battery, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202302261