近日，北京化工大学王峰教授、牛津副教授团队和美国犹他大学高涛教授合作在国际知名期刊Energy & Environmental Science (影响因子：39.714) 上发表题为“Lithium deposition mechanism on Si and Cu substrates in the carbonate electrolyte”的研究工作。
电化学锂沉积会发生在快充的锂离子电池和锂金属电池中。金属锂的沉积形貌与其后续的可逆沉积/剥离密切相关，直接影响着电池的循环寿命和安全性能。尽管目前报道了多种金属锂的沉积形貌，但是这些形貌的形成过程与机制仍不明确。在本工作中，研究人员将铜箔（Cu）与磁控溅射制备的硅薄膜（Si）作为研究对象，采用碳酸酯类电解液，通过电子成像、原位光学成像、分子动力学模拟、电化学测试和理论分析相结合的方法，揭示了锂在硅/铜基底上的成核与生长机制。
研究发现，锂在Si基底表面沉积时首先发生Si锂化，当表面锂饱和后再发生锂沉积；相比之下，锂沉积几乎立即发生在Cu基底上。Si基底上沉积锂的核密度数与电流密度成正比关系，形成单独锂核的电流是恒定的；而Cu上的核密度与电流密度呈指数关系，形成单独锂核的电流则随电流密度增加而减小。在Si基底上的锂生长分三个阶段：（i）锂簇首先在z方向和xy平面上生长（3D生长）；（ii）达到一定高度后，锂只能在xy平面上生长（2D生长）；（iii）沉积物完全覆盖基底后，锂在沉积物表面沿z方向进一步生长。对于Cu基底，在小电流下（J ≤0.1 mA cm-2）观察到类似Si基底的三个锂生长阶段；但随着电流密度增加会出现锂晶须，当电流超过临界值时（Jw=0.79±0.10 mA cm-2），沉积物完全呈现为晶须状，该Jw可作为评估不同基底和晶须生长趋势的定量描述。进一步研究表明，Cu和Si基底上锂晶须形成趋势的差异主要归因于锂离子在Si表面具有更多的扩散方式和更快的扩散速度。本工作为监测锂沉积提供了一种更精确的定量方法，研究结论可为构建高安全性锂离子电池及锂金属电池提供重要参考。
该文章第一作者为北京化工大学硕士生孙军徽和博士生彭嘉莹，北京化工大学王峰教授、牛津副教授和美国犹他大学高涛教授为本文共同通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研基金的资助。
Lithium deposition mechanism on Si and Cu substrates in the carbonate electrolyte;
全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee01833k
