胡良兵教授Adv. Mater.: 可大規模生產的印制超薄柔性鋰金屬負極

【引言】

眾所周知，鋰金屬負極具有較高的比容量和較低的氧化還原電位，是電池負極的終極選擇。然而，將鋰金屬加工成具有高電化學性能和良好安全性的薄膜負極從而匹配商業正極仍然具有挑戰性。在實際應用中，為了匹配一個典型的商業正極的容量，鋰負極需要約3 mAh cm^-2的面容量，由此推算其厚度僅需約15μm。事實上，由于鋰箔制備困難（鋰金屬的高粘度），實際使用中大多數基于鋰箔的負極材料厚度均大于200μm，遠遠超過所需的厚度。

鑒于此，美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）報道了一種直接印制熔融態金屬，在多種基底上制備各種形狀超薄、柔性和高性能Li-Sn合金負極的新策略。選擇Sn作為負極的合金成分（優化含量為5wt%）的原因在于，它具有較低的熔點、較低的成本和良好的合金形成潤濕性。具體來講，制備的負極薄至15 μm，其對應的面容量約為3 mAh cm^-2，能與大多數商業化正極材料相匹配。從機理上來講，Sn的加入為Li沉積提供了形核中心，從而緩解了Li枝晶的生長，并降低Li剝離/沉積過程中的過電位（0.25 mA cm^-2下<10mV）。作為概念驗證，使用超薄Li-Sn合金負極和商用NMC正極的軟包鋰離子電池，即使在反復變形后也表現出良好的電化學性能并可靠的在電池中運行。此外，該策略可以推廣到其他金屬/合金負極，如Na、K和Mg等。這項研究為下一代電池高性能超薄合金負極的發展打開了一扇新的大門。相關研究成果以“Stamping Flexible Li Alloy Anodes”為題發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、印制工藝原理圖演示

（a）使用Cu模具將熔融的Li-Sn合金印制到基底上；

（b）熔融鋰金屬與Li-Sn合金在Cu上潤濕性的比較；

（c）Cu基底上印制的Li-Sn合金圖案；

（d）演示大面積Li-Sn合金負極薄膜。

圖二、演示各種形狀和基底的超薄Li-Sn合金

（a）采用印制工藝在Cu箔上制備不同形狀的Li-Sn合金；

（b）采用印制工藝在不同基底上制備了Li-Sn合金，并用SEM對其厚度進行了表征；

（c）各種基底上Li-Sn合金的粘著力試驗。

圖三、采用Li||Li對稱電池結構，對商用鋰負極和超薄Li-Sn合金負極的性能進行比較

（a）測試前，商用鋰箔負極的橫截面SEM圖像；

（b，c）商用鋰負極典型鋰沉積/剝離過程原理圖；

（d）商用鋰箔負極經過50次恒電流循環后的橫截面SEM圖像；

（e）Li-Sn合金負極和商用鋰箔負極的對稱電池循環性能；

（f）測試前Li-Sn合金負極的橫截面SEM圖像；

（g，h）Li-Sn合金負極的鋰沉積/剝離過程原理圖；

（i）Li-Sn合金負極經過50次恒電流循環后的橫截面SEM圖像；

（j）Li||Li對稱電池的EIS圖譜；

（k）Li-Sn/Cu||Li-Sn/Cu對稱電池的EIS圖譜。

圖四、實際應用對比

（a）Li的用量對比；

（b）通過短路和濫用測試電池安全特性；

（c）成本分析；

（d）采用Li-Sn合金負極和商用正極的軟包電池循環曲線；

（e）軟包電池的循環性能；

（f）軟包電池的柔性；

（g）可印制金屬負極的大規模生產策略。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種直接印制熔融態金屬來制備柔性超薄Li-Sn合金負極的工藝，可以在許多基底上獲得各式所需的負極圖案。同時，Sn的加入是抑制Li枝晶和輔助Li成核的關鍵，從而保證了更好的安全特性和較低的過電位。電化學表征證實了超薄Li-Sn合金負極優于商用鋰箔負極。此外，采用商用NMC正極和超薄Li-Sn合金負極的軟包電池可以實現良好的循環穩定性、高能量密度和柔性，電池即使經歷多次變形后仍然展示了良好的充放電特性。更加重要的是，印制技術可以很容易地與輥壓過程集成，從而實現連續生產。該研究為下一代電池的高性能超薄合金負極的實際應用開辟了一條新的途徑。

文獻鏈接：“Stamping Flexible Li Alloy Anodes”(Adv. Mater.，2021，10.1002/adma.202005305)

【團隊介紹】

胡良兵博士是美國馬里蘭大學材料科學與工程系杰出教授。2002年畢業于中國科技大學，2002-2007年，在美國加州大學洛杉磯分校攻讀博士學; 2016年至今，美國馬里蘭大學終身教授。團隊主要研究領域有納米材料和納米結構，電化學儲能，高溫合成及天然材料。已在Science, Nature, Proceedings of the National Academy of Sciences, Energy & Environmental Science, Journal of the American Ceramic Society, Advanced Materials, Chemical Reviews, Materials Today等頂級期刊上發表學術論文400余篇，被引用超過55,800次，H-Index為115。

?本文由材料人CYM編譯供稿。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu 。