我校化工与材料学院青年教师合作研究成果发表在Nature Synthesis：合成单晶锂助力高临界电流密度全固态电池

近日，我校化工与材料学院与上海交通大学、天津大学、宁德时代新能源科技股份有限公司与美国阿贡国家实验室等单位合作在单晶锂金属负极方面研究取得重要进展，相关研究成果以“Synthesis of monocrystalline lithium for high-critical-current-density solid-state batteries”为题发表在Nature子刊《Nature Synthesis》。化工与材料学院青年教师张欣悦博士为该论文共同通讯作者，我校为共同通讯作者单位之一。

锂金属是高能量密度电池的理想负极材料，其具有高理论比容量和低电化学氧化还原电位，但枝晶生长容易导致电池失效或短路。在固态锂离子电池中，主要的挑战是由机械问题引起，锂枝晶可以穿透或破坏固态电解质。尽管过去几十年中投入了大量努力来减少锂晶须的形成，但复杂的机制和相互依赖的因素继续阻碍了可充电锂负极的大规模商业化应用。临界电流密度（CCD），定义为由于枝晶生长导致电池失效时的特定电流密度，是基于金属负极二次电池的关键指标。

图1 具有不同晶面取向的单晶锂

该研究提出了一种通过重结晶技术将商业化多晶锂（poly-Li）直接转化为具有单一晶面的各种单晶锂金属负极的策略。通过阐明不同锂晶面的扩散动力学和力学特性，发现单晶Li(110)具有最低的扩散势垒（0.02 eV），比多晶锂的0.2 eV低一个数量级，并且杨氏模量从9.42 GPa降低了71%，降至2.71 GPa。得益于最低的扩散势垒和杨氏模量，在全固态电池中采用单晶Li（110）可实现比多晶锂（poly-Li）高一个数量级的临界电流密度，这一结果在适配氧化物、卤化物和硫化物等多种无机固态电解质中具有普适性。此外，当与高镍正极匹配使用时，采用单晶Li（110）能够显著延长采用液态和固态电解质的锂金属电池的寿命。

图2 基于不同固态电解质的单晶Li(110)金属负极电化学性能

该研究工作提出的单晶Li(110)有效缓解了锂金属负极/固态电解质界面的应力积累，使锂金属电池的循环稳定性延长了五倍。这一金属的晶体学工程为使用金属负极的高能量密度可充电电池提供了新的范式，有望解决实现高能量密度电池的关键挑战。

此次化工与材料学院青年教师张欣悦博士作为通讯作者在《Nature Synthesis》合作发表研究成果，是学院落实“先锋计划”和青年教师培养取得的标志性成果之一。

近年来，化工与材料学院高度重视青年教师的培养，出台“华彩青年教师培养专项计划”，支持青年教师开展科研工作，助力青年教师的成长。同时，积极鼓励青年教师与国内外知名高校和科研院所开展学术交流与合作，激发创新灵感，促进跨学科、跨领域的合作研究，拓宽学院学术研究的深度与广度。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s44160-024-00712-4

编辑：田珺