【前沿探索】北科大薛文东AS：阳离子负载Mg2+-沸石层引导无枝晶沉积以实现长寿命锂金属阳极
锂金属阳极具有超高的理论比容量、最低的氧化还原电位、小的重量密度，近年来受到了广泛的关注。遗憾的是，锂金属的实际性应用仍被一座不可避免的大山所阻隔：锂的针状或苔藓状沉积（锂枝晶）。另一方面，非水电解质组分极易被高反应活性的锂金属还原，并逐渐演变成固体电解质界面（SEI）。这种自然衍生的SEI膜是不均匀的，这不可避免的会产生不均匀的离子传输，并进一步加剧锂枝晶的产生。
沸石分子筛在气体分离、化学催化等领域都取得了巨大成功。最近，由于其尺寸严格定义的孔径及优异的电化学稳定性，沸石分子筛作为电解液、电解质改性剂受到了广泛的关注。同时，沸石骨架结构可以负载功能性金属离子而不改变其原有结构，因此可以通过进一步的负载以实现其多功能性。该工作通过阳离子负载的Mg2+-沸石层协同性的调控阳极侧的去溶剂化动力学、SEI特性及电沉积模式，进而促进了锂金属阳极的无枝晶沉积。
图1. （a）Mg2+-沸石层的示意图和相应的作用效果；（b）Mg2+-沸石通道内独特的Li+溶剂化基团的配置示意图；（c）各种电解液的拉曼光谱和FTIR光谱；循环后（d）原始锂箔及（e）Mg2+-沸石层改性锂箔的XPS光谱。
具体而言，沸石孔道提供了低配位的Li+溶剂化基团，促成了更快的去溶剂化过程、更具离子传输能力的阴离子衍生SEI膜，进而实现了界面处更快的离子传输动力学。同时，Mg2+伴随着Li+共同电还原沉积在阳极表面，为Li+在阳极表面的扩散提供新的路径，大大增强了Li+的表面扩散能力。在初期锂岛状生长阶段，Mg2+通过增强锂表面的快速扩散，与高曲率区域竞争生长，避免了锂岛尖端的选择性沉积。此外，镁的缓释效应也确保了锂在后续阶段的均匀电镀。
基于这种保护机制，Mg2+-沸石层改性锂金属能够在对称Li/Li电池中以1mA cm-2的电流密度实现超2100 h的高效锂沉积。即使是在6 mAh cm-2的沉积容量下，锂阳极也可以保持750 h的稳定循环。此外，与LiFePO4匹配的全电池在1000次循环后仍可以保持91%的放电比容量。这项工作有望实现高安全、长寿命的锂阳极，为锂金属电池的实际应用提供一个新的策略。
图2. （a）原始锂箔、（b）Li+-沸石层改性锂箔及（c）Mg2+-沸石层改性锂箔在0.5 mA cm-2电流密度下电镀4 h后表面的SEM照片；Mg2+-沸石层改性锂箔（d, e）表面及（f, g）截面Mg元素分布照片；（h）Li在Li（110）（顶部）和Mg（0001）（底部）上沿最小能量路径上的原子构型快照、（i）相应的能量变化及（j）Li在Li（110）和Mg（0001）上的吸附能。（k）金属锂表面Mg2+-沸石层的保护机理示意图。
论文信息
Cation-Loaded Porous Mg2+-Zeolite Layer Direct Dendrite-Free Deposition toward Long-Life Lithium Metal Anodes
Ben Su, Xingyu Wang, Lei Chai, Sida Huo, Jingyi Qiu, Qiang Huang, Shuang Li, Yue Wang*, Wendong Xue*
Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202308939
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