随着对可充电电池高能量密度的不懈追求，具有高理论比容量（3860 mAh g-1）和低氧化还原电位（-3.04 V vs. SHE）的锂（Li）金属已被视为下一代电池最有前途的负极材料之一。然而，锂枝晶的不可控生长和循环过程中的体积变化都阻碍了锂金属负极迈向商业化应用的步伐。近期研究表明，使用三维集流体，如碳布可以有效降低局部电流密度，并且适应锂金属循环过程中的体积变化，但在沉积过程中，锂金属仍然倾向于在碳布顶端沉积，而不是自下而上，所以在考虑三维结构的同时，也要提高基底材料的亲锂性，同时枝晶的生长也与锂在基底材料上的热力学行为有关。
在这里，我们选择了在碳布表面附着氧化锌量子点，通过ZnO和熔融锂的自发反应形成LiZn合金，进而提高基底对锂的吸附能力。经过相关电化学性能测试，原位测试，表面形貌表征等技术，研究了Li/LiZn/CC基底对锂枝晶的抑制能力，最后，结合DFT计算，表明Li/LiZn/CC基底对锂有高的吸附力和适合的锂扩散能垒，从热动力学的角度定向了无枝晶的锂沉积。
本文选择了适当浓度的氧化锌量子点（ZnO QDs）去附着三维碳布（CC），作为抑制锂枝晶的基底材料。由于ZnO基底与熔融锂之间的自发反应形成LiZn合金，表现出对锂原子的高亲和力，这有助于锂离子的均匀分布并促进锂的均匀沉积。当从热动力学角度来看，锂原子在Li/LiZn/CC基底上的吸附能大于锂本身的内聚能，锂倾向在基底表面均匀吸附，而不是团簇生长。同时，锂原子在基底表面有较高的扩散能垒也抑制了锂的迁移和不均匀生长。这种热动力学调节有利于锂的均匀成核和沉积，从而在Li/LiZn/CC对称电池中，以10 mA cm-2的高电流密度下实现超过1900小时的高稳定性循环，并在全电池中提供卓越的电化学性能。
图1（a）ZnO QDs的透射电镜图,（b）CC 、（c）ZnO/CC（插图为整体示意图）、（d）Li/LiZn/CC电极（浅棕色为 CC，灰色为 Li）的扫描电镜图，（e）ZnO QDs、ZnO/CC和Li/LiZn/CC的XRD图。
图2 Li和Li/LiZn/CC作为电极的对称电池：（a-c）不同电流密度和沉积容量下的电化学性能，（d）倍率性能（e）阻抗图。
图3（a）（b）不同电流密度下循环50次后的扫描图，（c）原位光学显微图。
图4锂沉积在（a）裸锂和（b）Li/LiZn/CC基底的示意图,（c）LiZn（110）表面的锂电子密度,（d）锂原子在LiZn（110）表面的扩散路径和能垒。
图 5 (a)裸锂和Li/LiZn/CC负极的Li- S电池在1C倍率下的循环性能，(b)倍率能力和(c)充放电平台间的电压迟滞。Li-NCM811电池（d）循环性能,（e,f）贫电解液条件循环100圈后的扫描图。
徐英，兰州大学，青年研究员。研究工作主要着重于电池领域（锂金属电池、钠金属电池、固态电解质等）及材料科学领域，在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials等顶尖学术期刊上发表多篇学术论文。广招硕士/博士，欢迎报考，联系方式：xuying@lzu.edu.cn。Zheng H, Cheng X, Zheng Q, et al. The thermodynamically directed dendrite-free lithium metal batteries on LiZn alloy surface. Nano Research, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5109-5.
