鋰金屬被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能器件最有前景的電極材料。然而，由于電極界面不穩(wěn)定導(dǎo)致的低庫侖效率和短循環(huán)壽命，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。在負(fù)極上構(gòu)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(duì)鋰離子傳輸?shù)恼{(diào)控不力和復(fù)雜的構(gòu)建工程，實(shí)際效果仍然有限。

南京工業(yè)大學(xué)吳宇平、劉麗麗等展示了一種用于先進(jìn)鋰金屬負(fù)極的“逆濃度梯度”涂層設(shè)計(jì)，并通過離子導(dǎo)體 Li₄Ti₅O₁₂（LTO）顆粒與PVDF粘結(jié)劑結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

圖1 LTO/PVDF改性涂層的表征

這里首先通過固態(tài)合成法合成LTO，然后通過簡(jiǎn)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(zhuǎn)移能壘和高離子電導(dǎo)率，改性涂層表現(xiàn)出低界面電阻，允許鋰離子快速通過涂層轉(zhuǎn)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(yīng)變”特性賦予涂層長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(qū)，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(kuò)散效應(yīng)低于本體電解質(zhì)，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(fù)極實(shí)現(xiàn)均勻的鋰沉積/剝離行為，因此鋰金屬的循環(huán)性能大大提高，尤其是在高電流密度下。

圖2 鋰沉積的形態(tài)學(xué)研究

結(jié)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(huán)中表現(xiàn)出97.7%的高且穩(wěn)定庫侖效率。此外，Li/Li 對(duì)稱電池在1.0 mA cm^-2和 1.0 mAh cm^-2下表現(xiàn)出超過1000小時(shí)的超長(zhǎng)穩(wěn)定循環(huán)壽命。當(dāng)與LiFePO₄正極配對(duì)時(shí)，全電池在1C和N/P比為3.1的200次循環(huán)中將平均庫侖效率從 99.10% 提高到 99.54%。這種獨(dú)特的濃度梯度設(shè)計(jì)為先進(jìn)鋰金屬負(fù)極的界面調(diào)控提供了新視角。

圖3 Li-Li對(duì)稱電池和LFP-Li全電池的電化學(xué)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