锂金属由于其较高的理论比容量（3860 mAh g−1）和较低的电化学氧还原电位（−3.04 V相对于标准氢电极），是高能量密度电池的理想阳极材料。然而，由于锂金属在金属沉积过程中容易生长树突，这一特性导致了阳极容量和液态电解质的逐渐耗尽，最终导致电池失效或短路。在固态锂电池中，树突的生长可能会穿透或破坏固态电解质，导致电池失效。尽管过去几十年里，研究人员为减少锂金属树突的形成做出了大量努力，但复杂的机制和相互依赖的因素依然阻碍了可充电锂阳极的大规模商业化应用。
临界电流密度（CCD）是指在该电流密度下，由于树突的生长，电池发生故障的特定电流密度（mA/cm²）。例如，镁金属曾长期被认为是无树突金属阳极。然而，最近的研究表明，在高沉积电流密度下，镁金属也会形成分形形态，这一现象被归因于镁金属阳极的CCD，这一值在使用全苯基复合电解液时为10 mA/cm²，明显高于镁电池通常使用的电流密度，而镁电池由于其较慢的多价离子运输动力学，通常需要较低的电流密度。镁金属阳极的高CCD可以通过其在镁(0001)晶面上的超低自扩散能垒（Ediff，0.02 eV）来解释。相比之下，体心立方结构的锂的主导晶面是Li(200)，其Ediff高达0.14 eV，这限制了锂原子的移动性，并促使树突的形成。有趣的是，Li(110)晶面的Ediff仅为0.02 eV，与镁(0001)晶面相同，提供了无树突锂沉积的有希望的机会。已经证明，在锂亲和性差的基底上沉积Li(110)晶面单晶锂金属种子，能显著提高锂沉积的密度和快速充电能力。从理论上讲，使用Li(110)单晶阳极可以实现较高的电流密度，并获得无树突的沉积形态，类似于镁阳极。
早期的理论研究预测，剪切模量大于8 GPa的固态电解质可以抑制锂的穿透。然而，最近的实验表明，在Li7La3Zr2O12这种广泛研究的氧化物固态电解质中，即便其剪切模量约为60 GPa，仍然会在低于1 mA/cm²的电流密度下发生穿透。其他固态电解质，包括不同机械性能的硫化物和卤化物，也表现出较低的抗裂性能，无论它们是多晶态还是单晶态。锂金属与固态电解质的CCD可以通过提高温度来增加，因为高温下其显著改善了黏塑性。典型的锂金属还表现出明显的各向异性力学性能，在各种晶面中，Li(110)晶面具有最低的杨氏模量，可以通过蠕变效应减轻锂金属阳极与固态电解质之间界面的应力。结合其较低的Ediff，Li(110)晶面具备了较快的表面扩散能力，单晶自支撑锂金属（110）晶面阳极在固态电池中有可能承受实际电流密度，这是目前尚未实现的里程碑。
在本研究中，上海交通大学罗加严，天津大学王澳轩，宁德时代首席科学家吴凯，美国阿贡国家实验室刘同超等人首先使用相场模型模拟验证了表面更平滑的形态有利于在锂表面获得更低的Ediff。通过重结晶技术制备了具有不同晶面特征的单晶锂金属阳极，并定量关联了不同锂晶面的Ediff与CCD在液态电解质电池中的关系。更重要的是，由于Li(110)晶面具有最低的Ediff和杨氏模量，单晶Li(110)的CCD可以在固态电池中比多晶锂（poly-Li）提高一个数量级，这一点在覆盖氧化物、卤化物和硫化物等各种无机固态电解质中均得到了普遍验证。作者还展示了，当单晶Li(110)与高镍阴极配对时，不论是在液态还是固态电解质中，均能大大延长锂金属电池的使用寿命。
