金属锂阳极的成核机理及衬底改性( Nucleation Mechanism and Substrate Modification of Lithium Metal Anode )

X Qiu W Liu J Liu J Li F Cheng

Li具有极低的电极电位（与标准氢电极相比为3.04V）和超高的理论容量（3860 mAh·g）,是新一代高能量密度电池（如锂空气、锂硫和固态锂基电池）的极具吸引力的负极材料。然而，锂金属阳极和锂基电池存在着许多问题，包括固体电解质界面(SEI)不稳定、死锂形成和枝晶生长不可控等。这些限制导致循环稳定性低，并可能导致短路、热失控和安全隐患。近年来，人们提出了多种有效的策略来缓解锂阳极所面临的挑战。例如，无锂阳极（由锂化阴极提供锂）或锂复合阳极的设计引起了人们的极大关注。它们的数量可以归因于使用非过量的锂金属，这种金属可能更安全，更容易生产。在无锂阳极和复合锂阳极中，初始形核位对后续的锂电镀行为起着至关重要的作用。稳定、均匀的Li电沉积对于提高库仑效率和抑制枝晶形成至关重要。此外，探索锂金属在衬底或集流体上的成核和生长机理也是可取的。因此，在本文中，我们旨在提供一个概述锂的成核机理和通过衬底修饰提高锂金属电池的策略。从成核驱动力、核大小/分布与过电位/电流密度的关系等方面讨论了锂的成核机理。引入非均匀形核模型和Chazalviel空间电荷模型来描述Li在初始形核阶段的沉积行为。在异质形核过程中，Li核的形成及其动力学依赖于形核势垒，而形核势垒与衬底的晶体结构、晶格匹配、刻面和缺陷等性质有关。空间电荷模型适用于低浓度电解质或快速Li沉积，电极表面离子浓度的降低导致局部空间电荷和极化电场。这随后影响了沉积Li的微观结构和形貌。在讨论了晶核形成机理和衬底效应的基础上，重点介绍了稳定晶核形成和抑制枝晶形成的策略，如三维骨架、异质晶核、锂存储缓冲层、电场效应和晶格匹配工程等。从锂成核和衬底效应的角度获得的信息可能会对开发用于锂基电池的金属锂阳极的改进策略有所启发。

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