Nanoscale Nucleation and Growth of Electrodeposited Lithium Metal

成核 纳米尺度 电解质 金属锂 材料科学 金属 锂(药物) 化学工程 电极 纳米技术 冶金 化学 物理化学 有机化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Allen Pei,Guangyuan Zheng,Feifei Shi,Yuzhang Li,Yi Cui
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:17 (2): 1132-1139 被引量:1550
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04755
摘要

Lithium metal has re-emerged as an exciting anode for high energy lithium-ion batteries due to its high specific capacity of 3860 mAh g-1 and lowest electrochemical potential of all known materials. However, lithium has been plagued by the issues of dendrite formation, high chemical reactivity with electrolyte, and infinite relative volume expansion during plating and stripping, which present safety hazards and low cycling efficiency in batteries with lithium metal electrodes. There have been a lot of recent studies on Li metal although little work has focused on the initial nucleation and growth behavior of Li metal, neglecting a critical fundamental scientific foundation of Li plating. Here, we study experimentally the morphology of lithium in the early stages of nucleation and growth on planar copper electrodes in liquid organic electrolyte. We elucidate the dependence of lithium nuclei size, shape, and areal density on current rate, consistent with classical nucleation and growth theory. We found that the nuclei size is proportional to the inverse of overpotential and the number density of nuclei is proportional to the cubic power of overpotential. Based on this understanding, we propose a strategy to increase the uniformity of electrodeposited lithium on the electrode surface.
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