第一性原理计算解决50年悬而未决难题：半导体中铜为何扩散更快？ 来自公众号：能源学人本文以传播知识为目的，如有侵权请后台联系我们，我们将在第一时间删除。 【研究背景】全球能源危机和对电能前所未有的需求推动了可持续电能存储技术的发展。在众多可充电电池中，具有高能量密度的锂金属电池因其高理论比容量（3860 mAh g‒1）和低还原电位（-3.04 V vs. 标准氢电极）而备受关注。然而，锂金属负极的广泛应用面临显著挑战，如不均匀的锂沉积、大体积变化以及形成脆弱的固态电解质界面（SEI），这些问题导致锂枝晶和电化学惰性“死锂”的产生，进而带来安全隐患并缩短电池寿命。为解决这些问题，三维（3D）集流体被研究用于锂金属负极，以减少局部电流密度并容纳循环过程中体积变化。然而，目前的3D集流体仍存在Li+传输调控不足、锂在表面优先沉积的问题。 【工作介绍】近日，来自哈尔滨理工大学的陈桢教授，刘欣教授，陈明华教授与卡尔斯鲁厄理工学院的Stefano Passerini院士合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Achieving stable lithium metal anode via constructing lithiophilicity gradient and regulating Li3N-rich SEI”的文章。该研究提出了一种锂沉积调节策略，通过在泡沫铜上构建亲锂性梯度结构（MCNCF）和调控富Li3N的SEI的生成，以诱导“自下而上”的锂沉积。计算模拟和实验结果证实了锂在集流体底部的优先沉积，导致锂在整个电极中均匀的成核和生长。组装的具有MCNCF@Li的对称电池在1 mA cm−2/1 mAh cm−2下表现出低的电压滞后和超过1200小时的循环稳定性，为稳定的锂金属阳极的发展和锂金属电池的发展提供了新的前景。王茜为本文第一作者。 【内容表述】1. 具有亲锂梯度结构的3D MCNCF骨架本研究通过原子层沉积和等离子处理技术，在泡沫铜表面制备了具有亲锂梯度结构的三维MCNCF骨架。该结构由Cu3N纳米线和底部的MoN层组成，形成了从底部到顶部的亲锂性梯度。这种设计可以引导锂离子向底部迁移，促进均匀的锂沉积。此外，在CF骨架上引入纳米线结构，降低了阳极电流密度，减轻了循环过程中的体积变化。图1. MCNCF的制备和表征 2. 富Li3N的SEI的调控在初始锂沉积过程中，Cu3N和MoN与锂发生反应，生成富含Li3N的SEI层。这种富Li3N的SEI具有高离子导电性和低电子导电性，可以促进锂离子的快速传输，并为均匀的锂沉积提供丰富的成核位点。理论计算表明，MCNCF电极由于其强吸附和快速扩散特性，是抑制枝晶形成和稳定LMAs的有效方法。图2. 化学吸附/扩散调控特性的研究 3. MCNCF的“自下而上”锂沉积机制研究通过原位光学显微镜观察和COMSOL模拟，证实了MCNCF电极的“自下而上”锂沉积行为。底部的MoN层促进锂在底部优先沉积，而梯度分布的Li3N进一步引导锂离子向下迁移，最终实现了均匀的锂沉积，有效抑制了锂枝晶的生长。图3. MCNCF“自下而上”锂沉积行为的验证 4. 基于MCNCF的锂金属电池具有优异的电化学性能MCNCF的独特结构不仅表现出强的亲锂性，具有极低的成核过电位，而且在0.5 mA cm−2和1mAhcm−2条件下，350个循环的平均CE为97.6%。此外，在1 mA cm−2和1mAh cm−2条件下，有效的传质动力学使MCNCF稳定运行超过1200 h。这主要归因于引入的亲锂梯度结构以及富Li3N的SEI层对于锂沉积行为的有效调控。当与LFP和NCM811阴极配对时，MCNCF显示出了优异的倍率性能和循环稳定性，使其成为实际应用的可行选择。图4. 电极设计对电化学性能的影响图5. MCNCF电极在全电池中的评估 【总结】本文提出了一种3D锂金属负极设计策略，通过构建亲锂性梯度结构和调控富Li3N的SEI层，实现了稳定的锂金属负极。通过ALD和等离子体处理在泡沫上铜制备了MoN@Cu3N纳米线结构，形成了从底部到顶部的亲锂性梯度。这种独特结构引导锂从底部向上沉积，抑制了枝晶生长。同时，Cu3N与锂反应生成的Li3N富集SEI层促进了锂离子快速传输。实验结果表明，MCNCF电极展现出极低的成核过电位、优异的库仑效率和循环稳定性。与LFP和NCM811正极匹配时，也表现出卓越的倍率性能和循环寿命。这种梯度亲锂性设计为开发高性能锂金属电池提供了新的思路。 X. Wang, Z. Chen, X. Xue, J. Wang, Y. Wang, D. Bresser, X. Liu, M. Chen, S. Passerini, Achieving Stable Lithium Metal Anode via Constructing Lithiophilicity Gradient and Regulating Li3N-Rich SEI. Nano Energy, 2024, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110439 作者简介陈桢教授 博士生导师，国家高层次青年人才入选者。新加坡南洋理工大学博士，德国亥姆霍兹乌尔姆研究所，卡尔斯鲁厄理工学院博士后。主要研究方向为电化学储能领域关键材料及相关应用的开发，重点研究高性能固态二次电池的开发。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年基金项目等项目。已发表SCI论文70余篇，以第一/通讯作者在 Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、Nano-Micro Lett.、ACS Nano、Adv. Sci.、J. Chem. Eng.等期刊共发表 30 余篇，封面文章 2 篇，ESI高被引论文3篇，热点论文 1 篇，论文被引5500余次，h因子35。授权发明专利12项。担任Frontiers in Chemistry, Journal of Power Sources Advances客座编辑，Energy Environmental Material, Renewable青年编委，同时担任黑龙江省电源学会监事，IEEE电力与能源学会常务理事。 刘欣教授 哈尔滨理工大学电子与电子工程学院教授，博士生导师，澳大利亚阿德莱德大学博士。主要研究方向集中在电化学储能与转化系统的原子尺度模拟，特别是水系电池、固态电池及绿色产氢领域。已发表SCI论文40余篇，论文被引5500余次，h因子27。 陈明华教授 博士生导师，国家优青，黑龙江省杰青，青年龙江学者，省头雁团队核心成员。现任哈尔滨理工大学电气与电子工程学院副院长、国家重点实验室培育基地副主任。长期从事工程电介质与储能技术及关键材料/器件的应用研究。主持国家自然科学基金（优青、面上、青年、国际合作）、黑龙江省杰出青年基金、黑龙江省重点研发、哈尔滨市杰出青年基金、企业技术委托等课题20余项。获黑龙江省科学技术二等奖2项、黑龙江省高校科学技术一等奖2项、黑龙江省青年科技奖、黑龙江省青年五四奖章、省归国留学人员报国奖、省优秀共产党员等荣誉。在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy等期刊已发表SCI论文180余篇，影响因子大于10的文章30余篇，ESI高被引论文8篇，被引5000余次，h因子41。授权国家发明专利20项，专利技术转让4项。兼任中国电机工程学会高电压专委会委员、IEEE PES中国区电动汽车动力电池技术委员会常务理事、新加坡-中国科学技术促进会委员、中国电工技术学会超级电容器与储能技术专业委员会委员、哈尔滨市人大代表、黑龙江省青年联合会委员，多个国内外学术期刊特邀副主编与客座编辑。 Stefano Passerini教授 德国卡尔斯鲁厄理工学院杰出高级研究员。他的研究重点是对高能电池材料的理解和开发，目标是利用环保和可用的材料和工艺创建可持续的能源存储系统。发表学术论文800余篇 (Scopus H-Index: 119；>5万次引用)，出版书籍章节数篇，获得国际专利数项，曾获美国电化学学会电池分会研究奖。他是国际电化学学会(International Society of Electrochemistry)和电化学学会(Electrochemical Society Inc.)的会员，也是德国科学院(Leopoldina German Academy of Science)的成员。 课题组介绍先进储能技术及关键材料研究平台与团队立足储能技术推广应用的基础理论与实际应用的痛点，聚焦新能源、新材料等战略性新兴产业融合集群发展，旨在解决高寒地区储能规模化应用的关键技术瓶颈。课题组常年招收优秀博士生以及硕士生，欢迎加入。报名及合作请发邮箱到chen.zhen@hrbust.edu.cn。基础研究部分实验设备及研发平台电池小试生产线
