南工大吴宇平/刘丽丽AEM：逆浓度梯度涂层设计实现高性能锂金属负极

锂金属被认为是下一代储能器件最有前景的电极材料。然而，由于电极界面不稳定导致的低库仑效率和短循环寿命，阻碍了其实际应用。在负极上构建人工涂层是解决这一问题的最有效方法之一，但由于其对锂离子传输的调控不力和复杂的构建工程，实际效果仍然有限。

南京工业大学吴宇平、刘丽丽等展示了一种用于先进锂金属负极的“逆浓度梯度”涂层设计，并通过离子导体 Li₄Ti₅O₁₂（LTO）颗粒与PVDF粘结剂结合来实现。

图1 LTO/PVDF改性涂层的表征

这里首先通过固态合成法合成LTO，然后通过简单的液滴涂布法直接在基材上制备了20 µm的薄而致密的LTO涂层。由于其低锂离子转移能垒和高离子电导率，改性涂层表现出低界面电阻，允许锂离子快速通过涂层转移，并在电极界面附近提供均匀的锂离子通量。

此外，LTO 的“零应变”特性赋予涂层长期的结构稳定性。最重要的是，Li⁺将嵌入LTO层形成富锂相，在电极界面附近形成较高的锂离子浓度区，因此称为“逆浓度梯度”（电极界面处的Li⁺浓度通常由于缓慢的扩散效应低于本体电解质，从而形成离子浓度梯度），从而缓解电极界面的浓差极化，促使锂金属负极实现均匀的锂沉积/剥离行为，因此锂金属的循环性能大大提高，尤其是在高电流密度下。

图2 锂沉积的形态学研究

结果，使用LTO修饰电极的Li-Cu半电池在5.0 mA cm^-2和1.0 mAh cm^-2下的200次循环中表现出97.7%的高且稳定库仑效率。此外，Li/Li 对称电池在1.0 mA cm^-2和 1.0 mAh cm^-2下表现出超过1000小时的超长稳定循环寿命。当与LiFePO₄正极配对时，全电池在1C和N/P比为3.1的200次循环中将平均库仑效率从 99.10% 提高到 99.54%。这种独特的浓度梯度设计为先进锂金属负极的界面调控提供了新视角。

图3 Li-Li对称电池和LFP-Li全电池的电化学性能

Li4Ti5O12 Coating on Copper Foil as Ion Redistributor Layer for Stable Lithium Metal Anode. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103112