南京邮电大学，阿卜杜拉国王科技大学，ACS Nano：毛细作用实现熔融锂高效灌注的双梯度多孔集流体新设计

第一作者：陈剑宇 副教授

通讯作者：马延文 教授，赵进 教授，Husam N. Alshareef教授

单位：南京邮电大学，阿卜杜拉国王科技大学

随着新能源汽车和消费电子的迅猛发展，高能量密度新型电池系统成为迫切需求。传统锂离子电池因石墨负极材料限制能量密度提升。金属锂因其高比容量（3860 mAh g^-1）、低密度（0.534 g cm^-3）和最低的电极电位（-3.04 V vs 标准氢电极），被视为潜在的高能量密度负极材料。然而，金属锂负极研究面临枝晶生长、低库伦效率和安全性问题。而三维多孔集流体可以有效调控集流体内部的电荷分布和离子通量，抑制锂枝晶生长。尽管三维多孔集流体有着诸多优势，但多孔铜集流体的低孔隙率和规模化制备挑战仍是研究重点。所以，发展高孔隙率多孔铜集流体以及高效、可规模化制备技术是该领域的关键。

近日，南京邮电大学的马延文教授、赵进教授和陈剑宇副教授课题组联合阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授团队，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Engineering High-Performance Li Metal Batteries through Dual-Gradient Porous Cu-CuZn Host”的文章。该文章构建了具有亲锂-疏锂和微米孔-纳米孔双梯度的多孔铜-铜锌（DG-CCZ）集流体。该集流体通过毛细作用提升了DG-CCZ集流体中熔融锂的浸润速度和深度，实现锂金属的高效融入，此外，DG-CCZ集流体可以诱导电极循环过程中锂金属在多孔铜中“自下而上”沉积和“自上而下”溶解，实现定向扩散，从而有效提升了锂/多孔铜复合负极的高效制备和循环稳定性。

双梯度多孔铜-铜锌（DG-CCZ）集流体通过单组份与多组分金属粉末梯次烧结技术制备，其具有独特的双梯度设计，表现出“亲锂到疏锂”和“微孔到纳米孔”的特性。这种双梯度多孔铜-铜锌集流体通过其亲锂性梯度增强了熔融锂的浸润性，并通过孔结构梯度最大化毛细管作用力。这种设计能够在电极制备过程中实现高效的熔融锂注入，并在电池循环过程中实现金属锂有目标沉积/溶解反应。

以往将锂金属与多孔铜进行复合的研究过程多使用电化学沉积法，该方法在实验室中虽然容易制得，但在规模化制备中面临着造价高、效率低以及电解液废液环境污染性大等突出问题。因此，发展锂金属与多孔铜集流体的高效和可规模化制备技术，成为锂复合负极领域的研究重点和难点。该工作所制备的DG-CCZ集流体得益于亲锂梯度和孔梯度的协同作用，实现了Li/DG-CCZ复合负极的高效制备。

基于DG-CZZ集流体独特的结构，使用Li/DG-CCZ复合负极组装的各类电池都具有优异的电化学性能。值得注意的是，使用了8片Li/DG-CCZ复合负极和4片双面涂覆的LFP正极组装了多层正负电极的软包电池，该软包电池展示了159.3 mAh g^-1的高放电容量和165.7 Wh kg^-1的高质量能量密度，凸显了其在实际应用中的潜力。为了进一步说明该电池的实用性，使用该多层软包电池作为模型车的电源，该模型车可以在1.2 km h^-1的速度下行驶超过0.4 km，这证实了多层软包电池配置的可行性和优异的性能，也突显了这种DG-CCZ集流体在未来发展高性能锂金属电池具有广阔的前景。

本工作所设计的集流体是在固体金属粉末基础上构建的。这将增加集流体中非活性材料的质量，同时减少了负载锂金属的空间。在未来的研究中，应当开发由空心骨架组成的多孔金属集流体，减少非活性物质质量的占比并增加集流体的孔隙率，这种方法可以有效地提高锂金属电池整体的能量密度。同时，该工作对集流体和复合负极的测试主要在实验室。然而，极端环境条件，包括高/低温度、高压、过度卷曲/拉伸等，可能会导致集流体结构的塌陷，这可能引起电池快速失效甚至潜在发生的安全问题。因此，研究在极端环境下能够均匀且稳定沉积/溶解锂的多孔铜集流体对于锂金属电池的特定应用至关重要。

Engineering High-Performance Li Metal Batteries through Dual-Gradient Porous Cu-CuZn Host. ACS Nano, 2024.

马延文，教授，博士生导师，苏州工业职业技术学院院长，南京邮电大学纳米材料研究所所长。入选江苏省“333工程”第三层次培养对象、江苏省六大人才高峰（A类）、“青蓝工程”学术带头人。研究方向为先进能源材料与器件和纳米柔性材料与器件。已在 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、ACS Energy Lett.、ACS Nano、Nano Energy 等国际著名的材料和能源类学术期刊上发表 SCI 论文 140 余篇，被 SCI 引用 11000 余次，获授权专利 33 件，研究成果得到了英国皇家化学会 Chemistry World、美国化学会 Chemical & Engineering NEWS 等学术媒体的专题评述。

赵进，教授，硕士生导师，南京邮电大学高层次引进人才。主要围绕纳米能源材料与新型电化学储能技术开展研究工作，在超级电容器、锂/钠离子电池、水系锌离子电池电极材料的设计、可控制备、调控机制和储能机理方面取得了系列成果。以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Energy Lett.、Nano Lett.、Nano Energy等高水平期刊发表SCI论文40余篇，其中ESI高被引论文4篇，单篇最高引用690余次，总引用5600余次。主持国家自然科学基金青年基金，江苏省自然科学基金青年基金等项目，入选江苏特聘教授（特别资助），江苏省“双创博士”，任江苏省材料学会秘书处副秘书长。

陈剑宇，现为南京邮电大学校聘副教授。研究领域为新能源材料与器件，围绕金属电池电极的设计、合成及其在金属电池负极和柔性电子器件中的应用开展了一系列系统性和创新性的研究工作。近年来在Nano Lett.、 ACS Nano、 Nano Energy、Adv. Sci.、Small、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、等国际著名学术期刊发表SCI论文30余篇，已授权3项国家发明专利。