电子科技大学李晶泽教授，中科院物理所李泓研究员【熔融锂对铜箔的自浸润：制备超薄金属锂的新策略】

第一作者：邢健雄

通讯作者：李晶泽*，李泓*

单位：电子科技大学材料与能源学院

超薄金属锂是实现锂金属电池高能量密度的关键，但高性能超薄金属锂负极的低成本批量生产是阻碍锂金属电池商业化的瓶颈。商业锂箔的工业化生产主要通过挤压、轧制和表面钝化来实现。通过多辊轧制可制备厚度为20-100 μm的薄金属锂箔，但由于金属锂在室温下粘度高、机械加工性能差，因此很难得到更薄的厚度。另外，包括电沉积或物理气相沉积等方法，可精确地调节超薄锂箔的厚度，但是耗时较长，并且物理气相沉积法需要在笨重的真空室中进行。近年来，很多新方法被报道用于制备超薄锂，如熔融锂合金“印泥”、亲锂层涂层提高熔融锂浸润、构建纳米材料三维骨架、锂粉浆料涂覆、化学试剂蚀刻、磁驱动涂覆熔融锂和轧制等。尽管尝试了很多方法制备超薄锂，但超薄金属锂负极的高性能往往取决于繁琐、昂贵和实验室规模的制备方法。令人遗憾的是，开发可行的、大规模的、低成本的高性能超薄锂金属的制备方法仍然是一个瓶颈。

由于铜箔具有优异的导电性、较高的结构/电化学稳定性和低廉的价格，因此通常被用作锂离子电池或锂金属电池的负极集流体。同时，金属锂（180.5℃）和金属铜（1083.4℃）熔点差异大，通过在铜箔表面涂覆熔融锂液态金属来实现超薄锂金属的制备是一个可行的方法。然而，熔融锂在未加热的铜箔上的浸润性较差，很难将熔融锂在铜箔表面均匀铺展开来。通过在铜箔表面修饰一些亲锂的介质（如有机物、金属氧化物和可合金化金属）可以有效提高铜箔的润湿性，但额外的亲锂表面修饰增加了制备成本，限制了其商业化的实用性。另外，有报告表明，金属铜在高温下可与熔融锂发生合金化反应并形成亲锂性更高的LiCux固溶体。因此，通过原位锂铜合金化提高熔融锂与铜箔之间的亲和力，从而将熔融锂热熔涂覆到加热的铜箔上是可能的。此外，凝固的LiCux固溶体由于偏析作用在超薄金属锂内部形成三维网络骨架结构，可有效降低局部电流密度并抑制锂枝晶的生长，效促进均匀的锂沉积过程，实现高性能的超薄金属锂。

基于上述的思考，本项研究探索了不同温度条件下熔融的金属锂对铜箔的浸润性差异，发现适宜的高温条件有助于熔融锂对铜箔浸润，能够实现在铜箔表面涂覆熔融锂的效果，从而开发了一种大规模、低成本的连续制备超薄金属锂的方法，所得超薄金属锂（超薄LiCux/Li）内由于铜箔的部分溶解自发形成了三维合金骨架结构，因此表现出优异的电化学性能。本工作为超薄金属锂的大规模连续生产提供了一种直接有效的方法，实现了低成本、高电化学性能的兼顾，促进了金属锂负极的商业化进程。

近日，电子科技大学李晶泽教授课题组等人提出了一种将熔融锂液直接涂覆到加热铜箔上辊对辊制备超薄金属锂箔的简便方法。作者指出，适宜的温度条件能够加速熔融锂和铜箔之间的合金化反应，极大改善熔融锂和铜箔之间的浸润性，使得熔融锂能够在铜箔表面快速浸润，达到均匀铺展制备超薄锂箔的效果。该成果以“Endowing Cu Foil Self-Wettable in Molten Lithium: A Roll-to-Roll Wet Coating Strategy to Fabricate High-Performance Ultrathin Lithium Metal Anodes”为题发表在了Energy Stroge Materials上，邢健雄是本文第一作者。

铜箔具有优异的导电性、较高的结构/电化学稳定性和低廉的价格，因此通常被用作锂离子电池或锂金属电池的负极集流体。同时，金属锂（180.5℃）和金属铜（1083.4℃）熔点差异大，通过在铜箔表面涂覆熔融锂液态金属来实现超薄锂金属的制备是一个可行的方法。然而，熔融锂在未加热的铜箔上的浸润性较差，很难将熔融锂在铜箔表面均匀铺展开来。本研究通过调控铜箔表面的温度，促进原位的锂铜合金化反应以提高熔融锂与铜箔之间的浸润性

合金化反应改善了熔融锂和铜箔之间的浸润性，可直接将熔融锂热熔涂覆到加热的铜箔上，从而制备得到含有铜基底的超薄金属锂（超薄Li/LiCux）。通过调控刮刀和铜箔的间隙，可调控最终所得超薄Li/LiCux的锂层厚度。最终，制备的超薄Li/LiCux的锂层厚度能够控制在5~50 μm之间，宽度为10 cm，长度至少50 cm，能够满足绝大多数条件金属锂电池对所用负极材料需求。

在制备超薄金属锂的过程中，锂铜合金化反应不仅提高了熔融锂对铜箔的浸润性，还使得铜箔表面部分铜结构溶解到了熔融锂中，在熔融锂冷却的过程中，溶解的铜经过偏析形成了大量的LiCux固溶体，并组成三维骨架结构，能够降低电极内部局部有效电流密度、抑制锂枝晶的形成，大幅提高了超薄金属锂的电化学性能。

Endowing Cu foil self-wettable in molten lithium: A roll-to-roll wet coating strategy to fabricate high-performance ultrathin lithium metal anodes

李泓，中科院物理所研究员。

国家杰出青年科学基金获得者。科技部先进能源领域储能子领域主题专家，工信部智能电网技术与装备重点专项项目责任专家，国家新能源汽车创新中心技术专家。国家自然科学基金委固态电池重点项目负责人。主要研究方向：高能量密度锂离子电池、固态锂电池、电池失效分析、固体离子学等。自2018年起至2022年，连续5年获得科睿唯安“全球高被引科学家”称号（材料科学领域，化学领域，跨领域）。

李晶泽 教授、博导。

现就职于电子科技大学材料与能源学院。2000年在中国科学院物理研究所获理学博士学位，随后，在日本大阪大学化学系、京都大学电子科学工程系、东京工业大学资源化学研究所先后作为非常勤讲师、JST研究员和JSPS研究员从事研究工作。自2007年10月起正式受聘为电子科技大学及电子薄膜与集成器件国家重点实验室教授，长期从事新能源材料与器件的研究，目前主要研究方向是锂金属负极及全固态锂电池。

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