【文章概述】
電流密度是控制鋰沉積形貌和固體電解質界面（SEI）的關鍵因素。然而，電流密度對Li沉積和SEI的原子級機制尚不清楚。太平洋西北國家實驗室Wu Xu, and Chongmin Wang等基于低溫透射電子顯微鏡（TEM）成像，結合能量色散X射線能譜（EDS）和電子能量損失譜（EELS）的電子結構分析，揭示了Li沉積形貌和SEI與電流密度的原子級關聯(lián)。他們發(fā)現(xiàn)，電流密度的增加會導致鋰枝晶形核和生長的過電位增加，導致鋰枝晶從生長限制型向成核限制型轉變。與電流密度無關，電化學沉積的鋰金屬（EDLi）呈現(xiàn)晶須狀形貌。在低電流密度（0.1mA/cm2）下形成的SEI是整體非晶的；而高于2mA/cm2的電流密度則形成鑲嵌結構的SEI，其主要特征是具有Li2O和LiF分散體的非晶基體，并且SEI的厚度隨著電流密度的增加而增加。具體地說，Li2O粒子在空間上位于SEI的上表面，而LiF在空間上靠近Li-SEI界面。這些結果為通過改變沉積條件來調節(jié)EDLi和SEI的關鍵微觀結構和化學特性提供了可能的方法，從而與電池性能直接相關。
圖.不同電流密度下的電化學行為:（a） 在不同電流密度下，用Cu-TEM柵極上沉積鋰的實驗電壓分布。觀察到一個明顯的過電位，被粉紅色的橢圓圈起來。插圖顯示了鋰成核的原理，解釋了所涉及的額外能量。（b） 不同電解液中不同電流密度下鋰金屬鍍層阻抗譜變化的奈奎斯特圖比較。插圖是等效電路。Re為體電解液電阻，Rf為鈍化膜電阻，Rct為電荷轉移電阻，CPE為恒相元件，Zw為Warbug阻抗。（c） 體電解液電阻（Re）、鈍化膜電阻（Rf）和電荷轉移電阻（Rct）隨電流密度的變化而變化。
圖. 電流密度對SEI納米結構演化的影響。（a-c）SEI的原子分辨率TEM圖像，EDLi和SEI之間的界面結構，以及在Li上形成的觀察到的SEI示意圖，電流密度為0.1 mA cm-2，持續(xù)100 min；（d-f）2 mA cm-2，持續(xù)5 min；（g-i）5 mA cm-2，持續(xù)2 min；（j-l）9 mA cm-2，持續(xù)1.1 min。插圖：相應的FFT圖案。
圖. 電解液中鋰金屬枝晶和SEI在電流密度為9ma-cm-2，時間為1.1min時的成分信息。（a）重疊的HAADF-STEM圖像和O-K、C-K、F-K和P-K的EDS圖譜顯示元素分布。插圖：F（wt%）隨電流密度的變化。（b） 66s電流密度為9ma cm-2時，枝晶和SEI的FK邊緣的精細結構比較。
【總結】
利用低溫TEM、EDS和EELS等手段，在原子分辨率下保存和捕獲了束敏Li生長和SEI，揭示了不同電流密度下的詳細納米結構和化學特征。我們發(fā)現(xiàn)在極低電流密度（0.1mA/cm2）下形成的EDLi晶須具有不同直徑的不均勻分布。在較高電流密度（2～9mA/cm2）下形成的EDLi鍍層也呈現(xiàn)出晶須狀結構，但密度值不同，特別是在9mA/cm2的高電流密度下。所有晶須均表現(xiàn)出良好的鋰結晶性。SEI的結構和組成與電流密度有關。在低電流密度（0.1mA/cm2）下形成的SEI具有整體非晶結構，而在高電流密度（2～9mA/cm2）下形成的SEI為鑲嵌狀結構，Li2O嵌入非晶基體中，表面有一薄層Li2O。隨著沉積電流密度的增加，Li2O表面層厚度增加，在9mA/cm2處會形成額外的LiF。研究結果建立了沉積鋰和不同電流密度下形成的SEI層的電化學性能（界面阻抗）與納米結構/化學之間的關系，為控制鋰的生長和促進穩(wěn)定的SEI形成以構建穩(wěn)定循環(huán)的電池提供了思路。
