Insight into the Catalytic Nature of Lithiophilicity for High-Energy-Density Lithium Metal Batteries

化学 锂(药物) 金属锂 催化作用 金属 能量密度 无机化学 物理化学 工程物理 有机化学 电极 阳极 医学 工程类 内分泌学
作者
Yuan Wang,Guanglei Liu,Haohui Qiao,Jian Tan,Sizhe Li,Mingxin Ye,Jianfeng Shen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c01017
摘要

Designing dendrite-free lithium (Li) metal anodes for high-performance batteries requires a fundamental understanding of the substrate's lithiophilicity. Here, we systematically explore the electrochemical nucleation behavior of Li on various transition-metal substrates and uncover a substrate-dependent nucleation barrier that follows an inverted volcano-shaped curve, determined by the d-band center (εd) of these metals. Density functional theory calculations reveal that an optimal εd balances Li-atom adsorption and migration during Li nucleation, minimizing the nucleation barrier. To this end, we propose and validate the catalytic nature of lithiophilicity across diverse transition metal compounds. As a proof-of-concept, we modulate the electronic structure of CoP by incorporating Ni2P, which downshifts the εd of CoP through electron redistribution at the CoP/Ni2P heterointerface, thereby optimizing Li-atom adsorption and migration for enhanced lithiophilicity. This leads to the well-designed CoP/Ni2P heterointerface-rich framework that enables selective bottom nucleation and effectively suppresses dendrite formation. The resulting framework demonstrates exceptional cycling stability, achieving 99.1% Coulombic efficiency over 450 cycles and 90.2% capacity retention after 100 cycles in a Li||LiFePO4 pouch cell. This work revolutionizes our understanding of the catalytic nature of lithiophilicity and offers a pioneering approach for designing next-generation anodes for high-energy-density Li metal batteries.
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