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

圖1. 本文提出的中間層生長機制和結(jié)構(gòu)表征

在此，武漢理工大學(xué)麥立強教授、安琴友研究員等人通過簡單的冷凍干燥過程合成了一種由毫米級、單晶和鋸齒狀LiF納米纖維編織而成的獨特LiF中間層（LiF-NFs-IL），以實現(xiàn)無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)晶生長機制，通過抽濾制備的多孔LiF-NFs-IL表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、潤濕性和高Li⁺遷移數(shù)。

當(dāng)將其用于鋰金屬電池時，它會誘導(dǎo)形成“富含LiF-NFs”的SEI，LiF-NFs和有機/無機物種之間的連續(xù)Li⁺傳輸界面降低了SEI電阻，SEI和鋰金屬之間的另一個Li-LiF界面為減少Li⁺吸附和成核能壘提供了親鋰位點。同時，Li-LiF界面之間Li⁺的高擴散能壘導(dǎo)致Li生長速率低，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，具有LiF-NFs-IL的對稱Li//Li電池表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（1600小時）和低過電位（~30 mV）。此外，基于LiF-NFs-IL的Li//rGO-S電池在1 C時仍顯示出528 mAh g^-1的高比容量，在17.9 mA cm^-2時以高達5.65 mAh cm^-2的面積容量可穩(wěn)定循環(huán)400小時，大大超過了商業(yè)鋰離子電池（3~4 mAh cm^-2）。

當(dāng)與高負載NCM-811正極（8.3 mg cm^-2）配對時，具有LiF-NFs-IL涂層的鋰金屬負極在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。總之，這種獨立式LiF-NFs-IL在商用鋰電池中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，并顯示出擴展固態(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