利用金属（如锂、钠、锌）作为负极的电化学电池正受到广泛研究，因为它们有望取代目前的锂离子电池，成为商业应用中能量密度更高的选择。此外，金属电极为在反应性金属电沉积的复杂环境中对离子传输和电化学动力学等不同现象进行基础研究提供了机会。

近日，斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授、秦健教授通过计算和实验研究了金属电沉积过程中与传输和动力学相关的竞争效应。通过布朗动力学模拟，作者发现，较慢的沉积动力学会使锂的形态更加紧凑和均匀。通过在电极上设计含离子的聚合物涂层，这一发现在实验中得以证实，这种涂层可同时为锂离子传输提供途径，并阻碍异质表面的电荷转移（Li+ + e- → Li）。进一步研究的表明，这些离子聚合物界面可以显著延长锂金属电池在醚基和碳酸基电解液中的寿命。综上所述，这项工作通过理论和实验研究发现，低动力学传输速率比是影响锂沉积形态的主要因素，沉积形态可通过提高离子电导率进一步微调。

文章要点：

1. 这项工作证明，除了离子传输之外，电沉积动力学也是一个重要参数。通过布朗动力学模拟，作者发现在较低的沉积动力学速率下，沉积明显更加均匀、致密和紧凑，而快速动力学则会促进枝晶生长。

2. 基于此，作者利用合成聚合物建立了一个物理模型：它由交联的全氟聚醚（PFPE）聚合物组成，这些聚合物可阻断电解液-溶剂的传质，同时确保离子通过束缚的STFSI-阴离子传输。该涂层可作为一个明确定义的界面，将离子和电子传输过程分离开来。

3. 另外，动力学和传输的相对速率可以用达姆科勒数来量化，达姆科勒数是利用快速扫描伏安法计算的电化学反应速率（交换电流密度）以及核磁共振测量法计算的传输特性（扩散和传输数）进行实验计算得出的。

4. 作者发现，锂电极上由固定盐组成的聚合物涂层可以提高界面电导率，同时降低电化学动力学速率。通过调整聚合物中的盐含量，作者发现较弱的锂溶剂化环境有助于提高电池性能。

5. 通过EIS，作者发现了低达姆科勒数涂层的额外好处，它可以减缓界面反应速率。此外，在达姆科勒数足够低的情况下，锂的形态可以通过增加界面离子传输得到进一步改善。由于其独特的物理和化学特性，这种涂层成功地提高了锂沉积的形态，从而提高了锂金属电池在醚基和碳酸酯基电解液中的库仑效率和寿命。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202301899

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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