金屬锂具有高理論比容量（3860 mA h g−1）和低氧化還原電位。然而，由于金屬锂在循環時的高反應性和锂枝晶形成，導緻锂負極的界面穩定性差。雖然氮化硼（BN）納米片已被用作界面層，但它們穩定锂-電解質界面的機制仍然不清楚。
澳洲迪肯大學研究人員分享了氮化硼（BN）納米片夾層對抑制锂枝晶的形成、增強锂離子傳輸動力學、促進锂沉積并減少電解質分解的機理研究。通過模拟和實驗表明，溶劑化的锂離子在層間納米通道内的去溶劑化過程在動力學上有利于锂沉積，該工藝能夠實作長循環穩定性、降低電壓極化和提高界面穩定性。本研究為設計性能優異的锂金屬負極提供了關鍵見解和實用指南。相關研究成果以“Interfacial Modification of Lithium Metal Anode by Boron Nitride Nanosheets”為題發表在ACS Nano上。
原文連結：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11135
金屬锂因為具有高理論比容量（3860 mA h g−1）和低氧化還原電位，是開發下一代锂金屬電池研究最多的負極。然而，锂的高反應性和锂枝晶形成阻礙了其商業化應用。锂枝晶的形成破壞了固态電解質界面（SEI），導緻電解質消耗、低庫侖效率（CE）、循環穩定性差和安全問題增加。锂-金屬界面的穩定和锂枝晶形成的控制對于锂金屬負極的實際應用至關重要。锂沉積是影響負極表面穩定性的關鍵過程，包括锂離子在電解質中的遷移、去溶劑化、通過SEI的擴散以及最終在電極表面的還原。每個過程都會影響整個锂沉積行為。目前已經探索了幾種基于不同工作原理的方法來緩解锂界面問題，包括通過結構和材料工程優化锂電極，設計穩定有效的SEI以及使用先進的隔膜或界面層促進锂沉積。負極優化可以通過設計具有堅固結構的锂複合材料來實作，以調節锂沉積并适應體積變化，提高循環穩定性。
最近研究表明，開發一種分離锂負極和電解質的界面層可以作為一種有效且潛在可規模化的方法，實作穩定的锂負極。界面層不僅可以将負極與電解質實體分離，抑制锂枝晶的形成，而且還可以通過均勻重新分布锂離子傳輸路徑和有效調節锂離子傳輸動力學來促進锂沉積和剝離。二維納米材料因為具有大的比表面積、良好的機械強度、原子厚度、溶液可加工性和豐富的表面化學性質，作為锂負極界面特别有吸引力。由絕緣2D納米材料如氮化硼（BN）和C3N4組成的界面也已被廣泛報道。與導電絕緣體類似，這些2D絕緣體通常被認為通過調節锂離子的傳輸來促進锂沉積。所有這些界面層都具有不同的實體和化學性質，如電子和離子導電性、厚度、取向和機械強度。
作者研究了由絕緣氮化硼（BN）和導電還原氧化石墨烯（rGO）組成的2D納米材料界面層對锂傳輸、去溶劑化、成核和電鍍行為的影響。研究發現，二維納米材料的實體化學性質對锂沉積有很大的影響，锂沉積在rGO界面層的内部和表面減輕了锂枝晶的形成，锂離子可以很容易地遷移通過BN層并沉積在負極表面，進而改善并抑制锂枝晶。此外，锂在BN層上的傳輸動力學得到了很大改善。采用進一步的研究和模拟相結合的方法來闡明該機制，揭示了在BN界面層的納米通道内的部分锂離子去溶劑化過程，這改善了锂離子傳輸動力學并降低了電鍍過電位。使用BN基界面層來改性摻入锂的還原氧化石墨烯的表面(rGO@Li)電極，這些電極的性能得到明顯提高，包括循環性能、表面穩定性、體積變化變小和電壓滞後減少。通過可擴充的軋制方法在锂箔上轉移BN層，展示了BN基界面層的實際應用，BN改性的锂負極(BN@Li)在對稱電池和全電池中的電化學性能都得到了顯著提高。這種锂負極界面層的合理設計證明了能夠建構穩定的锂金屬負極的可行路線。（文：李澍）
圖1不同襯底上的锂沉積示意圖，說明了在電解質中通過（a）純Cu、（b）rGO和（c）BN納米片塗覆的Cu電極的锂離子傳輸和沉積
圖2依賴于襯底的锂成核和鍍層過電位
圖3锂沉積形态與電極表面性質
圖4锂離子遷移動力學的機理研究
圖5锂離子通過氮化硼層傳輸的MD模拟
圖6對稱複合锂電池的電化學性能
圖7氮化硼改性锂負極的實際應用
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