锂金属阳极的微观结构对电池性能起着至关重要的作用，但晶间区域的影响仍未得到充分了解。基于此，南开大学陈军&张凯团队证明晶间区域充当高能成核位点，破坏均匀的锂沉积，引发异质生长和界面退化。尽管单晶结构设计有效地降低了晶界密度，但抑制沉积引起的晶间退化仍然是一个重大挑战。本研究阐明了锂电沉积过程中的结构-性能关系，为提高锂金属阳极的性能提供了明确的途径。

研究内容

锂金属因其优越的比容量而被广泛认为是下一代锂电池的最终阳极材料。然而，由晶面和晶界引起的微观晶体异质性导致锂沉积不均匀，从而破坏了锂金属阳极的稳定性。本研究系统地研究了晶界对锂金属的结构特征、沉积行为和电化学性能的复杂影响。我们证明晶界是优先成核位点，加剧了形态的不均匀性。尽管从基材中消除预先存在的晶界有助于均匀的锂成核并提高电化学性能，但这种方法并没有解决源自新沉积晶粒晶间区域的沉积问题。此外，晶间网络的持续扩展破坏了单晶结构，加速了阳极退化，对性能提升施加了关键限制。这项工作揭示了一种以前被忽视的晶间驱动失效机制，并为实现无枝晶锂电池提供了见解。

图1：晶面和晶界上Li亲和力的差异



图2：Li（110）择优取向、织构和单晶的结构比较



图3：1M LiTFSI在DOL/DME（1:1，v/v）和2wt%LiNO₃电解质中，以1mA cm^-2的电流密度在Li||Li电池中的各种基板上沉积Li



图4：沉积结构和界面化学成分



图5：使用LFP、NMC811和LRMO阴极的锂金属硬币和袋电池的电化学性能

总之，本研究系统地研究了晶界对锂金属阳极结构特征和沉积行为的影响。晶间区域表现出比晶内区域更高的反应性，在加速副反应的同时推动了优先和局部的锂沉积，这严重阻碍了（110）取向锂阳极的稳定性。消除初始GB可以实现均匀的Li沉积并抑制寄生反应，从而增强早期循环阶段的电化学稳定性。然而，在长时间的循环过程中，新的晶界会动态形成，为锂的沉积提供了新的异质途径。因此，尽管微观结构设计对于阳极优化仍然至关重要，但要实现长期稳定性，需要将研究重点从仅仅控制初始晶界扩展到积极调节沉积锂的结构演变。

Eliminating intercrystalline side effects for stable lithium metal batteries. PNAS  2025  Vol. 122  No. 45 e2507789122. https://doi.org/10.1073/pnas.2507789122