鋰金屬被認為是下一代儲能器件最有前景的電極材料。然而，由于電極界面不穩定導致的低庫侖效率和短循環壽命，阻礙了其實際應用。在負極上構建人工涂層是解決這一問題的最有效方法之一，但由于其對鋰離子傳輸的調控不力和復雜的構建工程，實際效果仍然有限。

南京工業大學吳宇平、劉麗麗等展示了一種用于先進鋰金屬負極的“逆濃度梯度”涂層設計，并通過離子導體 Li₄Ti₅O₁₂（LTO）顆粒與PVDF粘結劑結合來實現。

圖1 LTO/PVDF改性涂層的表征

這里首先通過固態合成法合成LTO，然后通過簡單的液滴涂布法直接在基材上制備了20 μm的薄而致密的LTO涂層。由于其低鋰離子轉移能壘和高離子電導率，改性涂層表現出低界面電阻，允許鋰離子快速通過涂層轉移，并在電極界面附近提供均勻的鋰離子通量。

此外，LTO 的“零應變”特性賦予涂層長期的結構穩定性。最重要的是，Li⁺將嵌入LTO層形成富鋰相，在電極界面附近形成較高的鋰離子濃度區，因此稱為“逆濃度梯度”（電極界面處的Li⁺濃度通常由于緩慢的擴散效應低于本體電解質，從而形成離子濃度梯度），從而緩解電極界面的濃差極化，促使鋰金屬負極實現均勻的鋰沉積/剝離行為，因此鋰金屬的循環性能大大提高，尤其是在高電流密度下。

圖2 鋰沉積的形態學研究

結果，使用LTO修飾電極的Li-Cu半電池在5.0 mA cm^-2和1.0 mAh cm^-2下的200次循環中表現出97.7%的高且穩定庫侖效率。此外，Li/Li 對稱電池在1.0 mA cm^-2和 1.0 mAh cm^-2下表現出超過1000小時的超長穩定循環壽命。當與LiFePO₄正極配對時，全電池在1C和N/P比為3.1的200次循環中將平均庫侖效率從 99.10% 提高到 99.54%。這種獨特的濃度梯度設計為先進鋰金屬負極的界面調控提供了新視角。

圖3 Li-Li對稱電池和LFP-Li全電池的電化學性能

Li4Ti5O12 Coating on Copper Foil as Ion Redistributor Layer for Stable Lithium Metal Anode. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103112