研究背景：锂金属一直以来被认为是高能量密度电池的理想负极材料，其具有高理论比容量和低电化学氧化还原电位，但枝晶生长容易导致电池失效或短路。在固态锂离子电池中，主要的挑战是由机械问题引起，锂枝晶可以穿透或破坏固态电解质。尽管过去几十年中投入了大量努力来减少锂枝晶的形成，但复杂的机制和相互依赖的因素继续阻碍了可充电锂负极的大规模商业化应用。临界电流密度（CCD），定义为由于枝晶生长导致电池失效时的特定电流密度，是金属负极的电池的关键指标。体心立方结构锂的主要晶体学晶面是锂（200），其自扩散势垒（Ediff）高达0.14 eV，限制了锂原子的流动性，并促进了枝晶的形成。有趣的是，锂（110）上的自扩散势垒（Ediff）仅为0.02 eV，为无枝晶锂沉积提供了机会。在亲锂性基底上沉积的具有锂（110）晶面的单晶锂金属晶种已被证明对致密锂沉积和快速充电能力有显著益处。典型的锂金属被发现具有明显的各向异性力学性能，在各种晶面中，锂（110）晶面具有最低的杨氏模量，可以通过蠕变缓解锂金属负极/固态电解质界面应力。结合其低的自扩散势垒，使表面扩散能力增强，具有（110）晶面的单晶自支撑锂金属有望在固态电池中承受实际电流密度，这是一个尚未达到的里程碑。
成果介绍：近日，上海交通大学罗加严，天津大学王澳轩，CATL吴凯，美国阿贡国家实验室刘同超等人在Nature大子刊Nature Synthesis中发表题为“Synthesis of monocrystalline lithium for high-critical-current-density solid-state batteries.”的锂金属负极研究成果。研究团队提出了一种通过再结晶技术直接将商业多晶锂（poly-Li）转化为具有不同特定晶面的单晶锂金属负极的方法。通过对不同Li晶面扩散动力学和力学特性的分析，发现单晶Li（110）的扩散势垒最低，为0.02 eV，比poly-Li的0.2 eV低一个数量级，杨氏模量从9.42 GPa降低到2.71 GPa，降低了71%。在使用单晶锂（110）的固态电池中，临界电流密度可以提高一个数量级，并且锂金属电池的循环稳定性延长了五倍。这一调控晶面的策略将有效解决实现高能量密度电池的关键挑战。
图1 具有不同晶面的单晶锂
图2 不同晶面单晶锂的动力学表征
图3 单晶Li(110)金属负极在液态电解质中的电化学稳定性
图4 不同晶面单晶锂的力学性能
图5 单晶Li(110)金属负极复合固态电解质的电化学性能
研究总结：文中报道了一种再结晶技术转化为具有特定晶面的单晶Li(110)负极。其可以在固态电池中承受比商业化锂负极高一个数量级的临界电流密度（CCD），且其超低的自扩散势垒和低杨氏模量缓解了锂金属负极/固态电解质界面的应力积累。使用单晶Li(110)的锂金属电池在液态和固态电解质中表现出优异的循环性能，这一金属的晶体学工程为使用金属负极的高能量密度可充电电池提供了新的范式。
文章来源：
Chen, H. et al. Synthesis of monocrystalline lithium for high-critical-current-density solid-state batteries. Nature Synthesis (2025) doi:10.1038/s44160-024-00712-4.
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