浙大陆盈盈AFM：三维泡沫铜集流体/金属锂复合物阳极用于稳定金属锂电池

【引言】

锂离子电池长时间广泛应用于今天的技术设备中，如电动车、手机和笔记本电脑。金属锂由于其基于质量和体积都很高的能量密度，被认为有希望代替锂离子电池中的石墨阳极，提高其能量密度。

不幸的是，这一改变产生了不均匀的锂电沉积物，减少了循环稳定性，增加了引发安全问题的风险。碳基阳极不涉及氧化还原反应，只是作为离子嵌入的支撑材料，而金属锂阳极则不同于前者，在循环中发生去膜/成膜过程，并不会作为离子沉积的主体，因此金属锂的形貌在后来的循环中是很难控制的。

为了调控金属锂阳极，人们努力研究电池的各部分组成，以保持锂枝晶可控生长，并使SEI膜稳定形成。如传统的由数种兼容溶剂和锂盐组成的液体电解液，相对高机械强度的固体或者凝胶电解液，电解液添加剂等，这都使得循环稳定性有所增强，形成了更好的SEI膜。最近，人们开始把注意力投入设计金属锂阳极和集流体，如高比表面积集流体、阳极主体和多孔金属锂阳极等，可以减缓枝晶成核和生长的速度。但是，阳极主体会破坏锂的体积改变，这些设计都伴随着内部阻抗增加和活性材料的减少。

【成果简介】

近日，浙江大学的陆盈盈特聘研究员（通讯作者）在知名国际期刊Advanced Functional Materials发表题为”3D Porous Cu Current Collector/Li-Metal Composite Anode for Stable Lithium-Metal Batteries”的文章。该文章报道了一种一步合成法，改善了一般金属锂的电沉积，通过三维多孔铜集流体/金属锂(3D Cu/Li)提高了其循环稳定性，并成功应用于Li/Li₄Ti₅O₁₂电池当中，

【图文导读】

图一：金属锂/三维多孔铜网复合物阳极及其组成物。

a)金属锂b)铜网c)金属锂/3D铜网复合物的表面光学图像；

d)金属锂e)铜网f)金属锂/3D铜网复合物的SEM图像。

图二：2D铜膜/金属锂和3D铜网/金属锂复合物电极的去膜-成膜过程

a)裸露金属锂/2D铜膜和b)金属锂/3D铜网，都经过了锂去膜过程；

c)2D铜膜和d )3D铜网离子流分布，都经过了锂成膜过程；

e)铜膜表面的锂枝晶和f)3D多孔结构铜网的锂均匀地沉积。

图三：金属锂和3D Cu/Li的性能表征。

a)0.5mA cm^-2、b)1mA cm^-2和c)2mA cm^-2固定电流密度下的裸露金属锂电极和3D Cu/Li电极的恒电流循环特性；

d)金属锂和3D Cu/Li电极的库伦效率；

e) 金属锂和3D Cu/Li电极的能奎斯特图。

图四：表面、截面的金属锂和3D Cu/Li循环前后的SEM图像。

a)金属锂和b)3D Cu/Li循环前、c/d)循环50次和e/f)循环100次的表面SEM图像；

g)金属锂和h)3D Cu/Li循环前、i/j)循环50次和k/l)循环100次的截面SEM图像。

图五：Li₄Ti₅O₁₂/Li和Li₄Ti₅O₁₂/3D Cu-Li全电池性能特性。

a) Li₄Ti₅O₁₂/Li和Li₄Ti₅O₁₂/3D Cu-Li的倍率特性；

b) Li₄Ti₅O₁₂/Li和Li₄Ti₅O₁₂/3D Cu-Li在4C电流密度下的长时间循环特性。

【小结】

通过一种一步简单、低耗能的策略，制造3D多孔铜集流体/金属锂复合物阳极，改善了普通金属锂的电沉积。多孔结构的复合物电极提供了无主体锂再沉积的“笼子”，有效地减少了锂枝晶的形成以及调控了以上再循环过程中的体积膨胀。与平面锂箔相比，其高表面积增强了电化学反应的电子转换，降低了阴极表面的局域电流密度。考虑到这些优点，复合物阳极展示了高库伦效率(100次循环后为93.8%，一般阳极在70次循环后只有30.9%)。使用阳极复合物的电池在0.5mA cm^-2、1mAh cm^-2下50次循环其迟滞电压为60mV，小表面阻抗(在1mA cm^-2、1mAh cm^-2下1次循环后20Ω cm²)，以及1280h的长循环寿命。该复合电极可用于Li₄Ti₅O₁₂半电池中，展现了优异的倍率特性和长循环特性。

文献链接：3D Porous Cu Current Collector/Li-Metal Composite Anodefor Stable Lithium-Metal Batteries(Adv.Funct.Mater.,2017,DOI: 10.1002/adfm.201606422)

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