Small观点：通过电场梯度与均匀的锂离子通量共同调控Li/Li+的空间分布以实现无枝晶锂金属阳极

第一作者：廖岑景

通讯作者：邹儒佳*，陈惠芳*

单位：东华大学

锂（Li）金属电池因其卓越的能量密度而备受追捧。然而，由于锂离子分布不均以及锂离子在集流体上的沉积失控，锂离子会形成树枝状和显著的体积波动，从而阻碍了锂电池的实际应用。本文成功制备PAN-rGO-NH₂ (PrGN)，使其成为实现稳定锂剥离/电镀工艺的有效材料。PrGN 具有垂直排列通道的梯度结构，氨基的引入增强了其亲锂性。电极电场梯度促进了锂的底部沉积，而多孔 PAN 层中的垂直通道则调节了锂离子通量，从而在循环过程中实现了均匀的锂剥离/电镀行为。PrGN 的三维梯度层状结构是锂金属的理想宿主，可适应长期循环过程中的体积变化。这项研究代表着在实现实用、高性能锂金属电池方面取得的重大进展。

近日，来自东华大学的邹儒佳教授与陈惠芳教授课题组，在国际知名期刊Small上发表题为“Co-regulation of Li/Li⁺ Spatial Distribution by Electric Field Gradient with Homogenized Li-ion Flux for Dendrite-free Li Metal Anodes”的文章。该文章制备了一种新型的集流体PrGN。这种具有垂直孔道集流器可均匀锂离子通量，梯度结构可促进自下而上的锂沉积行为，从而实现锂金属电池的卓越性能。

图 2a 展示了PrGN 薄膜的制备过程。PrGN 的微观结构由SEM表征。如图 2b 所示，侧视图显示 PAN 和 rGN 的厚度分别为 ~13 μm 和 ~37 μm，PrGN 电极的整体厚度为 ~50 µm。图2e中红外光谱的结果表明，-NH₂通过亲核取代置换了环氧碳和-OH 基团的 β 碳。因此，GO 会发生还原，并形成新的化学键，从而生成胺功能化石墨烯。

我们对镀锂后电极的形态演变进行了扫描电镜观察。当使用协同的 PrGN 多层结构作为保护层时，金属锂的生长形成电化学反应界面的过程明显稳定（图 3a-b）。在锂电镀过程的初始阶段，锂离子穿过集流体顶部的扩散通道，随后在电场梯度的作用下沉积到底部，从而形成光滑的界面。进一步电镀可保持多层膜原有的均匀形态和紧密的界面结合（图 3c）。这种稳定的沉积行为得到了直观的证实，并可解释为多孔 PAN 在反应界面上产生的锂离子通量的均匀分布。

我们利用光学显微镜对 PrGN 和未加修饰的铜电极的形态变化进行了细致的观察。在以 5 mA cm^-2 的电流密度下镀锂，电极结构的实时变化清晰可见。如图 4a-b 所示，在锂沉积之前，PrGN 和Bare Cu电极都显示出干净平整的表面。PrGN 的梯度结构引导锂在电极内部沉积，因此表面光滑，厚度略有增加，形态随时间的推移相对不变（图 4a）。相比之下，由于存在局部热点，裸铜电极在锂电镀 10 min后会出现不均匀沉积。随后，球形树枝状锂结构在局部热点逐渐生长（图 4b）。随着时间的推移，这些球形锂结构变得越来越大，从而形成疏松多孔的结构。

为了评估 PrGN@Li 阳极在实际电池应用中的潜力，将 PrGN@Li、rGN@Li 和裸 Cu@Li 阳极与磷酸铁锂（LFP）阴极组装成全电池并进行测试。如图5a所示，PrGN@Li/LFP 全电池的初始容量为 153.2 mA h g^-1，在 2 C 下循环 270 次后，容量保持率为 129.9 mA h g^-1，每个循环的容量衰减率仅为 0.056%。相比之下，rGN@Li/LFP 全电池的初始容量为 144.5 mA h g^-1，在 190 个循环后降至 123.5 mA h g^-1，每个循环的容量衰减率为 0.076%。Bare Cu@Li/LFP 全电池的初始容量仅为 131.2 mA h g^-1，每个循环的衰减率为 0.099%。PrGN@Li/LFP全电池显示出优异的电化学性能。

Co-regulation of Li/Li⁺ spatial distribution by electric field gradient with homogenized Li-ion flux for dendrite-free Li metal anodes

邹儒佳 教授简介：邹儒佳教授，东华大学，博士生导师、上海市东方学者特聘教授、上海市浦江学者、香江学者、材料学院无机系系主任。一直致力于纳米材料TEM下显微结构与原位材料性能等研究。在Prog. Mater. Sci、Acc. Chem. Res.、Adv. Mater.、Nano Lett.等著名学术期刊发表SCI论文150余篇，主持20多项国家及省部级项目。

陈惠芳 教授简介：陈惠芳教授，东华大学，博士生导师、一直从事碳基材料制备及应用研究，主持20多项国家及省部级项目，获国家科技进步一等奖等多项科技奖励。

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