澳大利亞迪肯大學《ACS Nano》：氮化硼納米片對鋰金屬負極的界面改性機理

金屬鋰具有高理論比容量（3860 mA h g?1）和低氧化還原電位。然而，由于金屬鋰在循環(huán)時的高反應性和鋰枝晶形成，導致鋰負極的界面穩(wěn)定性差。雖然氮化硼（BN）納米片已被用作界面層，但它們穩(wěn)定鋰-電解質界面的機制仍然不清楚。

澳大利亞迪肯大學研究人員分享了氮化硼（BN）納米片夾層對抑制鋰枝晶的形成、增強鋰離子傳輸動力學、促進鋰沉積并減少電解質分解的機理研究。通過模擬和實驗表明，溶劑化的鋰離子在層間納米通道內的去溶劑化過程在動力學上有利于鋰沉積，該工藝能夠實現長循環(huán)穩(wěn)定性、降低電壓極化和提高界面穩(wěn)定性。本研究為設計性能優(yōu)異的鋰金屬負極提供了關鍵見解和實用指南。相關研究成果以“Interfacial Modification of Lithium Metal Anode by Boron Nitride Nanosheets”為題發(fā)表在ACS Nano上。

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11135

金屬鋰因為具有高理論比容量（3860 mA h g?1）和低氧化還原電位，是開發(fā)下一代鋰金屬電池研究最多的負極。然而，鋰的高反應性和鋰枝晶形成阻礙了其商業(yè)化應用。鋰枝晶的形成破壞了固態(tài)電解質界面（SEI），導致電解質消耗、低庫侖效率（CE）、循環(huán)穩(wěn)定性差和安全問題增加。鋰-金屬界面的穩(wěn)定和鋰枝晶形成的控制對于鋰金屬負極的實際應用至關重要。鋰沉積是影響負極表面穩(wěn)定性的關鍵過程，包括鋰離子在電解質中的遷移、去溶劑化、通過SEI的擴散以及最終在電極表面的還原。每個過程都會影響整個鋰沉積行為。目前已經探索了幾種基于不同工作原理的方法來緩解鋰界面問題，包括通過結構和材料工程優(yōu)化鋰電極，設計穩(wěn)定有效的SEI以及使用先進的隔膜或界面層促進鋰沉積。負極優(yōu)化可以通過設計具有堅固結構的鋰復合材料來實現，以調節(jié)鋰沉積并適應體積變化，提高循環(huán)穩(wěn)定性。

最近研究表明，開發(fā)一種分離鋰負極和電解質的界面層可以作為一種有效且潛在可規(guī)?；姆椒?，實現穩(wěn)定的鋰負極。界面層不僅可以將負極與電解質物理分離，抑制鋰枝晶的形成，而且還可以通過均勻重新分布鋰離子傳輸路徑和有效調節(jié)鋰離子傳輸動力學來促進鋰沉積和剝離。二維納米材料因為具有大的比表面積、良好的機械強度、原子厚度、溶液可加工性和豐富的表面化學性質，作為鋰負極界面特別有吸引力。由絕緣2D納米材料如氮化硼（BN）和C3N4組成的界面也已被廣泛報道。與導電絕緣體類似，這些2D絕緣體通常被認為通過調節(jié)鋰離子的傳輸來促進鋰沉積。所有這些界面層都具有不同的物理和化學性質，如電子和離子導電性、厚度、取向和機械強度。

作者研究了由絕緣氮化硼（BN）和導電還原氧化石墨烯（rGO）組成的2D納米材料界面層對鋰傳輸、去溶劑化、成核和電鍍行為的影響。研究發(fā)現，二維納米材料的物理化學性質對鋰沉積有很大的影響，鋰沉積在rGO界面層的內部和表面減輕了鋰枝晶的形成，鋰離子可以很容易地遷移通過BN層并沉積在負極表面，從而改善并抑制鋰枝晶。此外，鋰在BN層上的傳輸動力學得到了很大改善。采用進一步的研究和模擬相結合的方法來闡明該機制，揭示了在BN界面層的納米通道內的部分鋰離子去溶劑化過程，這改善了鋰離子傳輸動力學并降低了電鍍過電位。使用BN基界面層來改性摻入鋰的還原氧化石墨烯的表面(rGO@Li)電極，這些電極的性能得到明顯提高，包括循環(huán)性能、表面穩(wěn)定性、體積變化變小和電壓滯后減少。通過可擴展的軋制方法在鋰箔上轉移BN層，展示了BN基界面層的實際應用，BN改性的鋰負極(BN@Li)在對稱電池和全電池中的電化學性能都得到了顯著提高。這種鋰負極界面層的合理設計證明了能夠構建穩(wěn)定的鋰金屬負極的可行路線。（文：李澍）

圖1不同襯底上的鋰沉積示意圖，說明了在電解質中通過（a）純Cu、（b）rGO和（c）BN納米片涂覆的Cu電極的鋰離子傳輸和沉積

圖2依賴于襯底的鋰成核和鍍層過電位

圖3鋰沉積形態(tài)與電極表面性質

圖4鋰離子遷移動力學的機理研究

圖5鋰離子通過氮化硼層傳輸的MD模擬

圖6對稱復合鋰電池的電化學性能

圖7氮化硼改性鋰負極的實際應用