鋰金屬由于其超高的比容量（3860 mAh g-1）和極低的氧化還原電位（-3.04 V）一直以來(lái)被人們視為二次電池材料中的圣杯。然而，鋰金屬電極在循環(huán)過(guò)程中易形成不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)層（SEI）和針狀的鋰枝晶，導(dǎo)致庫(kù)倫效率低、循環(huán)性能差，甚至帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，極大地阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

 

       近日，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授帶領(lǐng)的“清潔能源材料與器件”研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于犧牲模板熱熔法構(gòu)筑和納米晶種修飾的三維多孔銅骨架用于穩(wěn)定循環(huán)的鋰金屬負(fù)極集流體。用該方法獲得的鋰金屬?gòu)?fù)合電極所組成的對(duì)稱(chēng)電池在1.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2的條件下能穩(wěn)定循環(huán)1300 h而不表現(xiàn)出明顯的電壓遲滯。此外，基于這種鋰復(fù)合負(fù)極和磷酸鐵鋰正極的鋰電池也展現(xiàn)出高庫(kù)倫效率、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。相關(guān)研究成果以“Template-Sacrificed Hot Fusion Construction and Nanoseed Modification of 3D Porous Copper Nanoscaffold Host for Stable-Cycling Lithium Metal Anodes”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上（論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202102735）。南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生林慧楠、張澤文和王耀達(dá)為論文的共同第一作者。

 

       該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種犧牲模板熱熔構(gòu)筑策略，實(shí)現(xiàn)了三維多孔銅納米骨架的便捷制備，并通過(guò)蒸鍍法實(shí)現(xiàn)了金納米晶種對(duì)于銅骨架的均勻修飾（圖1）。所制備的三維 銅納米骨架具備較大的比表面積和孔體積，不僅可以容納大量的金屬鋰，而且有助于緩解在循環(huán)過(guò)程中鋰負(fù)極較大的體積變化。而均勻分散的金納米晶種則極大地改善了金屬鋰對(duì)于銅骨架的潤(rùn)濕性，從而有助于減小鋰金屬負(fù)極的電壓極化，提升其電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能。通過(guò)一系列的測(cè)試和表征，證實(shí)在循環(huán)過(guò)程中金納米晶種會(huì)與金屬鋰發(fā)生合金化反應(yīng)，引發(fā)了零形核勢(shì)壘的鋰金屬均勻沉積行為，從而獲得了光滑致密、無(wú)枝晶的鋰沉積形貌（圖2）。通過(guò)對(duì)于鋰-銅半電池、鋰-鋰對(duì)稱(chēng)電池和鋰-磷酸鐵鋰全電池的性能測(cè)試，充分證明金納米晶種修飾的三維多孔銅骨架作為鋰金屬負(fù)極基體材料的顯著優(yōu)勢(shì)（圖3, 4）。該工作為構(gòu)建安全、穩(wěn)定的鋰負(fù)極和發(fā)展高能量密度的鋰金屬電池提供了新的策略和思路。

 

       該研究工作得到了國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、JW科技委GF科技創(chuàng)新特區(qū)項(xiàng)目、ZB預(yù)研教育部聯(lián)合基金青年人才項(xiàng)目、江蘇省杰出青年基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

圖1. 金納米晶種修飾的銅納米骨架實(shí)現(xiàn)均勻鋰沉積的示意圖和對(duì)其形貌及結(jié)構(gòu)的表征。

圖2. 金納米晶種修飾的銅納米骨架的潤(rùn)濕性測(cè)試、鋰金屬的零形核電勢(shì)測(cè)試和合金化反應(yīng)的證明。

圖3. 不同鋰金屬電極所組成的對(duì)稱(chēng)電池的循環(huán)性能對(duì)比

圖4. 不同鋰金屬負(fù)極所組成的磷酸鐵鋰全電池的循環(huán)性能對(duì)比