叶欢/郭再萍AFM：球形锂沉积实现90%的高锂利用率

锂金属电池有望实现有吸引力的高能量密度。锂金属电池负极的高锂利用率是实现高能量密度和避免锂资源巨大浪费的前提条件。然而，枝晶锂沉积会产生”死锂”和寄生的界面反应，从而导致低的锂利用率。

图1 球形锂金属负极的优势

华中农业大学叶欢、阿德莱德大学郭再萍等报告了一种高利用率的锂负极，方法是将球形的锂沉积到具有蛋盒结构的过渡金属碳化物（MXene）中。与长丝状或晶须状的锂枝晶不同，锂被沉积并在MXene蛋盒的孔隙中形成球形形态，从而减少了锂和液态电解液之间的界面接触面积（大约为90%），这最大限度地减少了界面副反应，实现了90%的高锂利用率。此外，梯度亲锂设计导致球状锂在宿主内自下而上地生长，安全地远离隔膜。

图2 球形锂的电化学沉积和结构演变

因此，所设计的球形锂负极提供了2783 mAh g^-1的复合负极比容量，在电流密度为0.5 mA cm^-2时，寿命可达3000小时，在1.0 mA cm^-2时，寿命接近1300小时，锂利用率为90%。

此外，采用球形锂负极和高面容量正极（5 mAh cm-2）的全电池在0.5 C时，在非常低的N/P比率（0.8）下保持了95%的容量。这种球形沉积突出了碱金属形态控制的关键作用，并为建立实用的高能金属电池提供了可行的方法。

图3 全电池性能

Spherical Lithium Deposition Enables High Li-Utilization Rate, Low Negative/Positive Ratio, and High Energy Density in Lithium Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202303427