金波、蒋青教授， Chem. Eng. J观点：通过构建3D亲锂纳米线阵列实现了超长寿命的锂金属阳极- 大数跨境

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金波、蒋青教授， Chem. Eng. J观点：通过构建3D亲锂纳米线阵列实现了超长寿命的锂金属阳极

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2024-07-25

导读：金波、蒋青教授， Chem. Eng. J观点：通过构建3D亲锂纳米线阵列实现了超长寿命的锂金属阳极

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文章信息

3D铜网上致密的亲锂双金属氧化物纳米线阵列实现了无枝晶长寿命锂金属阳极

第一作者：刘慧

通讯作者：金波*，蒋青*

单位：吉林大学

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研究背景

锂金属电池由于其锂金属的负极，因此具有高达3860 mAh g⁻¹的理论比容量和基于标准氢电极的-3.04 V的最低负电势。然而，由于安全问题、低库伦效率和锂枝晶生长导致锂金属电池的进一步发展受到限制。近年来，各种措施被研究用于解决上述的问题。在众多方法中三维（3D）复合锂阳极的构建已成为研究热点。令人印象深刻的是，3D铜集流体由于其优秀的导电性在锂金属电池（LMA）的应用中受到了广泛关注。但是，由于商业铜集流体具有疏锂的性质而导致差的循环寿命。因此本研究通过在3D 铜网上引入亲锂性位点，从而引导锂离子的均匀沉积，实现了无枝晶锂金属阳极。

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文章简介

近日，来自吉林大学的金波教授等人，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A compact lithiophilic dual metal oxide nanowire array on 3D copper mesh enables dendrite-free long-life lithium metal anodes”的研究性文章。该文章提出通过简单地压制三维CuO@MnO₂修饰的铜网（3D CMCM）嵌入锂箔中而获得了锂复合阳极（3D CMCM/Li）。亲锂的3D CMCM不仅具有低的成核过电位，而且保证了锂的均匀沉积。组装的具有3D CMCM/Li的对称电池在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²下表现出低的电压滞后和长达3100小时的循环稳定性。

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本文要点

要点一：具有纳米线阵列的亲锂3D CMCM骨架

本研究使用湿法蚀刻和一步水热法设计了一种独特的3D CMCM骨架。通过简单地压制法将3D CMCM压入锂箔中，可以获得3D CMCM/Li复合阳极，从而省去了进一步预填充Li的需要。3D CMCM骨架完美地结合了CuO和MnO₂的亲锂性优势，不仅降低了成核过电位，还促进了反应动力学。密度泛函理论（DFT）计算也证实了氧化物纳米线阵列的亲锂本质。同时，3D骨架有助于降低局部电流密度，提高锂镀/剥离的可逆性，从而保证了长寿命的锂金属阳极。

图1. 3D CMCM和3D CMCM/Li复合阳极制备流程示意图。

要点二：3D CMCM显著提高锂沉积/剥离稳定性

3D CMCM能显著提高锂的沉积/剥离稳定性。经过测试发现组装的对称电池在电流密度为1 mA cm⁻²，容量为1 mAh cm⁻²的条件下可以稳定循环长达3100 h，并且相比较纯铜网（PCM）具有更小的电压滞后。这主要归因于引入的亲锂修饰层对于锂沉积行为的有效调控。丰富的亲锂位点不仅有利于循环过程中Li的电镀/剥离行为，还有助于实现快速的Li⁺传输，增强Li⁺ 的传质动力学，从而实现了长寿命的锂金属阳极。

图2. 具有3D CMCM/Li和PCM/Li的对称电池的电化学性能。

要点三：匹配的全电池具有优秀的循环稳定性

得益于3D CMCM/Li锂沉积行为的调控以及良好的结构稳定性，组装的S-NSPC||3D CMCM/Li和LFP||3D CMCM/Li全电池表现出优异的循环稳定性和倍率性能。即使在大电流密度下，S-NSPC||3D CMCM/Li 和LFP||3D CMCM/Li全电池也具有令人满意的库伦效率和容量衰减率。证明所设计的3D CMCM/Li复合阳极在LMA的应用中具有一定的价值，并有望扩展到钠/钾金属阳极在储能/转换领域的其他应用。

图3. S-NSPC||3D CMCM/Li 和LFP||3D CMCM/Li全电池的电化学性能研究。

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文章链接

A compact lithiophilic dual metal oxide nanowire array on 3D copper mesh enables dendrite-free long-life lithium metal anodes

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154072

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通讯作者简介

金波教授简介：吉林大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。于2003年和2008年分别获韩国全南国立大学硕士和博士学位。主要从事新型能源存储/转化材料与器件的研究。在Advanced Energy Materials、Small（3篇）等期刊上，发表学术论文120余篇。获授权发明专利12件。担任Nanomaterials编委。