澳大利亚迪肯大学《ACS Nano》：氮化硼纳米片对锂金属负极的界面改性机理

金属锂具有高理论比容量（3860 mA h g−1）和低氧化还原电位。然而，由于金属锂在循环时的高反应性和锂枝晶形成，导致锂负极的界面稳定性差。虽然氮化硼（BN）纳米片已被用作界面层，但它们稳定锂-电解质界面的机制仍然不清楚。

澳大利亚迪肯大学研究人员分享了氮化硼（BN）纳米片夹层对抑制锂枝晶的形成、增强锂离子传输动力学、促进锂沉积并减少电解质分解的机理研究。通过模拟和实验表明，溶剂化的锂离子在层间纳米通道内的去溶剂化过程在动力学上有利于锂沉积，该工艺能够实现长循环稳定性、降低电压极化和提高界面稳定性。本研究为设计性能优异的锂金属负极提供了关键见解和实用指南。相关研究成果以“Interfacial Modification of Lithium Metal Anode by Boron Nitride Nanosheets”为题发表在ACS Nano上。

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11135

金属锂因为具有高理论比容量（3860 mA h g−1）和低氧化还原电位，是开发下一代锂金属电池研究最多的负极。然而，锂的高反应性和锂枝晶形成阻碍了其商业化应用。锂枝晶的形成破坏了固态电解质界面（SEI），导致电解质消耗、低库仑效率（CE）、循环稳定性差和安全问题增加。锂-金属界面的稳定和锂枝晶形成的控制对于锂金属负极的实际应用至关重要。锂沉积是影响负极表面稳定性的关键过程，包括锂离子在电解质中的迁移、去溶剂化、通过SEI的扩散以及最终在电极表面的还原。每个过程都会影响整个锂沉积行为。目前已经探索了几种基于不同工作原理的方法来缓解锂界面问题，包括通过结构和材料工程优化锂电极，设计稳定有效的SEI以及使用先进的隔膜或界面层促进锂沉积。负极优化可以通过设计具有坚固结构的锂复合材料来实现，以调节锂沉积并适应体积变化，提高循环稳定性。

最近研究表明，开发一种分离锂负极和电解质的界面层可以作为一种有效且潜在可规模化的方法，实现稳定的锂负极。界面层不仅可以将负极与电解质物理分离，抑制锂枝晶的形成，而且还可以通过均匀重新分布锂离子传输路径和有效调节锂离子传输动力学来促进锂沉积和剥离。二维纳米材料因为具有大的比表面积、良好的机械强度、原子厚度、溶液可加工性和丰富的表面化学性质，作为锂负极界面特别有吸引力。由绝缘2D纳米材料如氮化硼（BN）和C3N4组成的界面也已被广泛报道。与导电绝缘体类似，这些2D绝缘体通常被认为通过调节锂离子的传输来促进锂沉积。所有这些界面层都具有不同的物理和化学性质，如电子和离子导电性、厚度、取向和机械强度。

作者研究了由绝缘氮化硼（BN）和导电还原氧化石墨烯（rGO）组成的2D纳米材料界面层对锂传输、去溶剂化、成核和电镀行为的影响。研究发现，二维纳米材料的物理化学性质对锂沉积有很大的影响，锂沉积在rGO界面层的内部和表面减轻了锂枝晶的形成，锂离子可以很容易地迁移通过BN层并沉积在负极表面，从而改善并抑制锂枝晶。此外，锂在BN层上的传输动力学得到了很大改善。采用进一步的研究和模拟相结合的方法来阐明该机制，揭示了在BN界面层的纳米通道内的部分锂离子去溶剂化过程，这改善了锂离子传输动力学并降低了电镀过电位。使用BN基界面层来改性掺入锂的还原氧化石墨烯的表面(rGO@Li)电极，这些电极的性能得到明显提高，包括循环性能、表面稳定性、体积变化变小和电压滞后减少。通过可扩展的轧制方法在锂箔上转移BN层，展示了BN基界面层的实际应用，BN改性的锂负极(BN@Li)在对称电池和全电池中的电化学性能都得到了显著提高。这种锂负极界面层的合理设计证明了能够构建稳定的锂金属负极的可行路线。（文：李澍）

图1不同衬底上的锂沉积示意图，说明了在电解质中通过（a）纯Cu、（b）rGO和（c）BN纳米片涂覆的Cu电极的锂离子传输和沉积

图2依赖于衬底的锂成核和镀层过电位

图3锂沉积形态与电极表面性质

图4锂离子迁移动力学的机理研究

图5锂离子通过氮化硼层传输的MD模拟

图6对称复合锂电池的电化学性能

图7氮化硼改性锂负极的实际应用