研究背景

鋰金屬一直以來被認為是高能量密度電池的理想負極材料。不幸的是，鋰金屬負極在實際電流密度下容易形成枝晶，限制了其應用。早期的理論工作預測，具有剪切模量大于8 GPa的固態電解質將抑制鋰的穿透。然而，最近的實驗表明，對于Li7La3Zr2O12這種廣泛研究的氧化物固態電解質，其剪切模量約為60 GPa，在低于1 mA cm-2的CCD下觀察到穿透現象。其他固態電解質，包括具有不同力學性能的硫化物和鹵化物，也表現出低抗裂性，無論它們是多晶還是單晶形式。由于鋰的粘塑性大大提高，鋰與固態電解質的CCD可以在高溫下增加。典型的鋰金屬也被發現具有明顯的各向異性力學性能，在各種晶面中，鋰(110)晶面具有最低的楊氏模量，可以通過蠕變緩解鋰金屬負極/固態電解質界面應力。結合其低Ediff，使表面擴散能力增強，具有(110)晶面的單晶自支撐鋰金屬有望在固態電池中承受實際電流密度，這是一個尚未達到的里程碑。

成果簡介

近期，上海交通大學羅加嚴教授，天津大學王澳軒副研究員和張欣悅博士，寧德時代首席科學家吳凱和美國阿貢國家實驗室劉同超研究員等人引入了一種通過重結晶技術將商業化多晶鋰(poly-Li)直接轉化為具有單一晶面的各種單晶鋰金屬負極的策略。同時，通過闡明不同鋰晶面的擴散動力學和力學特性，發現單晶Li(110)具有最低的擴散勢壘(0.02 eV)，比多晶鋰的0.2 eV低一個數量級，并且楊氏模量從9.42 GPa降低了71%，降至2.71 GPa。進一步顯示，在固態電池中使用單晶Li(110)可以將臨界電流密度提高一個數量級，并將鋰金屬電池的循環穩定性延長五倍，這一調控晶面的策略將有效解決實現高能量密度電池的關鍵挑戰。 相關研究成果以“Synthesis ofmonocrystalline lithium for high-critical-current-density solid-statebatteries”為題發表在Nature Synthesis上。

研究亮點

(1) 引入了一種通過重結晶技術將商業化多晶鋰(poly-Li)直接轉化為具有單一晶面的各種單晶鋰金屬負極的策略。

(2) 單晶Li(110)具有最低的擴散勢壘(0.02eV)，比多晶鋰的0.2 eV低一個數量級，并且楊氏模量從9.42 GPa降低了71%，降至2.71 GPa。

(3) 單晶鋰(110)在循環過程中能夠保持比其他晶體取向更高的結構完整性。

(4) 使用單晶Li(110)的鋰金屬電池在液態和固態電解質中表現出長循環性能。

圖文導讀

本文單晶鋰的合成與表征是通過重結晶方法制造了單晶鋰。在金屬結晶過程中，實際結晶溫度T1總是低于理論結晶溫度T0。本文使用差示掃描量熱法(DSC)測量來量化鋰金屬的T0和T1(圖1a)，其在加熱/冷卻速率為1.5°C/min-1時，分別為181.2°C和178.1°C。為了制備單晶Li(110)，作者首先將商業鋰箔以20°C/min-1的速率加熱至200°C并保持10分鐘以熔化鋰。然后，作者以1.5°C/min-1的冷卻速率將其冷卻至T1，并在T1下退火超過2小時，然后再自然冷卻至室溫。在T1下的退火使鋰原子重新排列成最穩定的晶體結構并生長成大晶粒，從而獲得單晶Li(110)。不足的熔化溫度、結晶溫度或退火時間無法將多晶鋰轉化為單晶Li(110)。通過單晶Li(110)錠的定向切割獲得了單晶Li(200)和Li(211)，單晶鋰的紋理可以在軋制成薄電極后保持。重結晶鋰的晶體學取向通過X射線衍射(XRD)和電子背散射衍射(EBSD)進行了評估。對于多晶鋰(poly-Li)，XRD圖譜上明顯出現了三個晶面。在EBSD逆極圖(IPF)上檢測到了具有不同取向的較小晶粒。

圖1. 具有不同晶面的單晶鋰

液態電解質中晶面與動力學的關系在液態電解質中，具有不同晶面的單晶鋰金屬負極預計會展現出不同的電化學行為。為了量化鋰負極的安全操作邊界，系統研究了單晶鋰負極的臨界電流密度(CCD)及其沉積形態。作者們將CCD定義為在鋰沉積過程中首次突然電壓上升時的電流密度，作為枝晶穿透的標志。首先在液體電解液中測量了CCD，使用了三種代表性的電解液，包括全氟化電解液(AFE;1 M LiPF6+0.02 M LiDFOB-FEC/HFE/FEMC)、三元鹽電解液(TSE;1 MLiPF6+0.2 M LiBF4+0.8 M LiDFOB-DEC/FEC)和商業碳酸酯電解液(CCE;1 MLiPF6-EC/DEC)。為了反映不同晶面的實際動態特性，選擇了一向沉積CCD協議，以減少在液態電解液中沉積/溶解過程中的副反應影響。結果顯示，鋰金屬負極在AFE中具有最高的CCD，其中單晶Li(110)的CCD高達29 mA cm-2。隨著自擴散勢壘的增加，單晶Li(200)和Li(211)的CCD分別降低到21和7 mA cm-2。顯然，CCD與自擴散勢壘之間獲得了線性關系。在TSE中觀察到了類似的趨勢，但CCD略低。在最不穩定的CCE中，單晶Li(110)金屬負極的CCD降低到16 mA cm-2。有趣的是，單晶Li(211)在所有三種電解液中都表現出類似的低CCD。

圖2. 不同晶面單晶鋰的動力學表征

單晶Li(110)在液體電解液中的電化學穩定性單晶Li(110)在循環過程中能保持比其他晶體取向更高的結構完整性，這得益于加速的鋰原子擴散和增強的表面動力學。同時，作者組裝了對稱電池來研究在實際條件下循環過程中電極的完整性。結果顯示，準備了約10 mAh cm-2容量的Li(110)和多晶鋰(poly-Li)，并在5 mA cm-2的電流和5 mAh cm-2的容量下循環后測量了不同電解液中的電極電子導電性。由于晶界較少，Li(110)的電子導電性測量為1.01×107 S m-1，略高于多晶鋰的8.85×106 S m-1。在AFE中循環后，多晶鋰變暗，其電子導電性在50次循環后迅速下降到8.28×104 S m-1，100次循環后下降到3.31×102S m-1，而Li(110)保持明亮，50次循環后導電性為1.18×106 S m-1，100次循環后為4.81×105S m-1。循環后Li(110)的致密緊湊形態與其導電性差異明顯，與粉碎的多晶鋰形成對比。在較不穩定的TSE和最不穩定的CCE中，Li(110)和多晶鋰的導電性依次更快下降，但Li(110)始終比多晶鋰保持約兩個到三個數量級的導電性。

圖3. 單晶Li(110)金屬負極在液態電解質中的電化學穩定性

固態電池中Li(110)的CCD測定在固態電池中，由于應力容易積累，單晶Li(110)與多晶鋰(poly-Li)相比的臨界電流密度(CCD)差異可能更加明顯。同時，使用原子力顯微鏡(AFM)納米壓痕法在手套箱中測量了不同鋰金屬負極的楊氏模量。鋰金屬的不同晶面確實具有高度的各向異性力學性能，單晶Li(110)表現出最低的平均楊氏模量為2.71 GPa，相比之下，Li(200)為4.31 GPa，Li(211)為22.79 GPa，多晶鋰的楊氏模量為9.42 GPa，大約是三個晶面的平均值。更具延展性的單晶Li(110)負極可以減少機械變形阻力，從而緩解鋰金屬負極/固態電解質界面處局部壓縮應力的積累。結合快速的表面擴散能力，這將延遲固態電池中的枝晶穿透，即使在更高的充電倍率或累積容量下也是如此。

圖4. 不同晶面單晶鋰的力學性能

本文評估了單晶Li(110)和多晶鋰(poly-Li)與三種典型的無機固態電解質的實際臨界電流密度(CCD)，包括Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12(LLZTO)氧化物電解質、Li3InCl6(LIC)鹵化物電解質和Li6PS5Cl(LPSC)硫化物電解質。研究顯示，使用氧化物電解質時，多晶鋰的CCD為1 mA cm-2，而使用鹵化物和硫化物電解質時為0.5 mA cm-2。這些值遠低于液態電解液中的值，其機制仍在仔細研究中。與氧化物電解質相比，鹵化物和硫化物的CCD較低，因為LIC和LPSC與鋰金屬接觸時會形成自限制的固體電解質界面(SEI)。然而，單晶Li(110)在氧化物電解質電池中的CCD為6 mA cm-2，在鹵化物和硫化物電解質電池中為5 mA cm-2，比多晶鋰高出一個數量級。基于此，本文組裝了具有高正極面積容量5.0 mAh cm-2的Li/In ||LPSC|| NCM811全固態電池，其中在鋰金屬和LPSC之間引入了銦金屬作為保護層。同時，在150 MPa的堆疊壓力下，原位形成了單晶鋰-銦合金(LiIn(110))，繼承了單晶Li(110)的優勢。在1 C(5.0 mA cm-2)的倍率下，使用單晶Li(110)的固態電池在350次循環內保持穩定運行，是使用多晶鋰的固態電池循環壽命的五倍。

圖5. 固體電解質單晶Li(110)金屬負極的電化學性能

總結與展望

本文引入了一種通過重結晶技術將商業化多晶鋰(poly-Li)直接轉化為具有單一晶面的各種單晶鋰金屬負極的策略。單晶Li(110)具有最低的擴散勢壘(0.02 eV)，比多晶鋰的0.2 eV低一個數量級，并且楊氏模量從9.42 GPa降低了71%，降至2.71 GPa。因此重結晶的單晶Li(110)可以在固態電池中承受比商業化鋰負極高一個數量級的臨界電流密度(CCD)，且其超低的自擴散勢壘和低楊氏模量緩解了鋰金屬負極/固態電解質界面的應力積累。使用單晶Li(110)的鋰金屬電池在液態和固態電解質中表現出長循環性能，這一金屬的晶體學工程為使用金屬負極的高能量密度可充電電池提供了新的范式。