浙大陸盈盈AFM：三維泡沫銅集流體/金屬鋰復合物陽極用于穩定金屬鋰電池
【引言】
鋰離子電池長時間廣泛應用于今天的技術設備中，如電動車、手機和筆記本電腦。金屬鋰由于其基于質量和體積都很高的能量密度，被認為有希望代替鋰離子電池中的石墨陽極，提高其能量密度。
不幸的是，這一改變產生了不均勻的鋰電沉積物，減少了循環穩定性，增加了引發安全問題的風險。碳基陽極不涉及氧化還原反應，只是作為離子嵌入的支撐材料，而金屬鋰陽極則不同于前者，在循環中發生去膜/成膜過程，并不會作為離子沉積的主體，因此金屬鋰的形貌在后來的循環中是很難控制的。
為了調控金屬鋰陽極，人們努力研究電池的各部分組成，以保持鋰枝晶可控生長，并使SEI膜穩定形成。如傳統的由數種兼容溶劑和鋰鹽組成的液體電解液，相對高機械強度的固體或者凝膠電解液，電解液添加劑等，這都使得循環穩定性有所增強，形成了更好的SEI膜。最近，人們開始把注意力投入設計金屬鋰陽極和集流體，如高比表面積集流體、陽極主體和多孔金屬鋰陽極等，可以減緩枝晶成核和生長的速度。但是，陽極主體會破壞鋰的體積改變，這些設計都伴隨著內部阻抗增加和活性材料的減少。
【成果簡介】
近日，浙江大學的陸盈盈特聘研究員（通訊作者）在知名國際期刊Advanced Functional Materials發表題為” 3D Porous Cu Current Collector/Li-Metal Composite Anode for Stable Lithium-Metal Batteries”的文章。該文章報道了一種一步合成法，改善了一般金屬鋰的電沉積，通過三維多孔銅集流體/金屬鋰(3D Cu/Li)提高了其循環穩定性，并成功應用于Li/Li4Ti5O12電池當中，
【圖文導讀】
圖一：金屬鋰/三維多孔銅網復合物陽極及其組成物。
a)金屬鋰b)銅網c)金屬鋰/3D銅網復合物的表面光學圖像；
d)金屬鋰e)銅網f)金屬鋰/3D銅網復合物的SEM圖像。
圖二：2D銅膜/金屬鋰和3D銅網/金屬鋰復合物電極的去膜-成膜過程
a)裸露金屬鋰/2D銅膜和b)金屬鋰/3D銅網，都經過了鋰去膜過程；
c)2D銅膜和d )3D銅網離子流分布，都經過了鋰成膜過程；
e)銅膜表面的鋰枝晶和f)3D多孔結構銅網的鋰均勻地沉積。
圖三：金屬鋰和3D Cu/Li的性能表征。
a)0.5mA cm-2、b)1mA cm-2和c)2mA cm-2固定電流密度下的裸露金屬鋰電極和3D Cu/Li電極的恒電流循環特性；
d)金屬鋰和3D Cu/Li電極的庫倫效率；
e) 金屬鋰和3D Cu/Li電極的能奎斯特圖。
圖四：表面、截面的金屬鋰和3D Cu/Li循環前后的SEM圖像。
a)金屬鋰和b)3D Cu/Li循環前、c/d)循環50次和e/f)循環100次的表面SEM圖像；
g)金屬鋰和h)3D Cu/Li循環前、i/j)循環50次和k/l)循環100次的截面SEM圖像。
圖五：Li4Ti5O12/Li和Li4Ti5O12/3D Cu-Li全電池性能特性。
a) Li4Ti5O12/Li和Li4Ti5O12/3D Cu-Li的倍率特性；
b) Li4Ti5O12/Li和Li4Ti5O12/3D Cu-Li在4C電流密度下的長時間循環特性。
【小結】
通過一種一步簡單、低耗能的策略，制造3D多孔銅集流體/金屬鋰復合物陽極，改善了普通金屬鋰的電沉積。多孔結構的復合物電極提供了無主體鋰再沉積的“籠子”，有效地減少了鋰枝晶的形成以及調控了以上再循環過程中的體積膨脹。與平面鋰箔相比，其高表面積增強了電化學反應的電子轉換，降低了陰極表面的局域電流密度。考慮到這些優點，復合物陽極展示了高庫倫效率(100次循環后為93.8%，一般陽極在70次循環后只有30.9%)。使用陽極復合物的電池在0.5mA cm-2、1mAh cm-2下50次循環其遲滯電壓為60mV，小表面阻抗(在1mA cm-2、1mAh cm-2下1次循環后20Ω cm2)，以及1280h的長循環壽命。該復合電極可用于Li4Ti5O12半電池中，展現了優異的倍率特性和長循環特性。
文獻鏈接：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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