Electric‐Field‐Driven Bilayer Interphase from Oxygenated Nanodiamond‐Carbon Nanoparticles for Dendrite‐Free Lithium Metal Batteries

材料科学 法拉第效率 过电位 相间 阴极 双层 化学工程 成核 金属锂 电化学 导电体 纳米技术 纳米颗粒 电流密度 锂(药物) 电极 枝晶(数学) 密度泛函理论 金属 阳极 微尺度化学 吸附 储能 电化学电位
作者
Jaeseong Kim,Incheol Heo,Dong‐Kyung Kim,Min Seok Kang,Ji Hee Kwon,Byeong‐Seon An,Keir C. Neuman,Byung‐Hyun Kim,Hak‐Sung Jung,Won Cheol Yoo
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202505964
摘要

ABSTRACT Lithium metal batteries (LMBs) offer exceptional energy density but are severely limited by dendrite formation and unstable interphases. Here, this work presents an electric field–driven in situ strategy to construct a vertically graded interphase using an oxygen‐rich nanodiamond/carbon (O‐ND/C) composite. During Li plating, conductive carbon migrates toward the current collector, forming a C‐enriched conductive sublayer beneath a lithiophilic O‐ND‐rich insulating layer. This bilayer architecture homogenizes Li‐ion flux, lowers the nucleation barrier, and simultaneously ensures mechanical robustness and electronic insulation, thereby enabling dendrite‐free Li deposition. The optimized O‐ND with 10 wt% of C interphase demonstrates outstanding electrochemical stability, maintaining an ultralow overpotential of 9.5 mV for 5800 h in symmetric cells and an average Coulombic efficiency (CE) of 98.8% to 700 cycles. In full‐cell configurations with LiFePO 4 cathodes, stable operation is sustained for up to 1500 cycles, areal capacity of 12.1 mAh cm −2 retained 9.9 mAh cm −2 after 50 cycles even under industrially relevant high cathode loading (93.8 mg LFP cm −2 ). Complementary density functional theory calculations confirm that O‐ND surfaces enhance Li adsorption and diffusion, corroborating the experimental results. This work provides mechanistic insight into field‐driven interphase engineering and offers a practical pathway toward safe, high‐energy density LMBs.
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