【背景介紹】

全球能源危機和環境惡化加速了綠色能源技術的發展，繼而引起了人們對鋰離子電池（LIB）在內的綠色儲能技術的廣泛關注。從上世紀90年代開始，LIBs的商業化極大地推動了包括筆記本、移動電話等便攜式電子產品的發展和普及。然而近年來，隨著電動汽車及其他先進便攜式電子產品的快速發展，目前的鋰離子電池已經逐漸不能滿足其需求。在這種背景下，高能量密度電池已成為當前的研究熱點領域，相關研究成果受到廣泛的關注。鋰金屬負極由于具有較高的理論比容量及最低的負極電化學勢而有望成為高能量密度鋰電池中理想的負極材料，然而其使用過程中容易形成枝晶，并由此引發的電池安全性等問題嚴重阻礙了鋰負極的實際應用。因此解決鋰金屬負極在使用過程中存在的枝晶問題，具有重要的科學意義及實用價值。

【成果簡介】

近日，中國科學院化學研究所王書華博士（第一作者）和郭玉國研究員（通訊作者）報道了通過在垂直微孔孔道中調節鋰的沉積/溶解來得到穩定的鋰金屬負極，進而抑制鋰枝晶的生長。他們系統分析了多孔銅集流體結構參數對電流密度分布的影響以及鋰在不同尺寸的多孔銅集流體內的形貌演化。通過COMSOLMultiphysics理論模擬，發現尖端效應導致鋰在微孔道壁內的優先沉積，相比平板銅，他們設計的集流體具有較大的比表面積和孔體積，有效減少了金屬鋰在集流體表面的沉積，進而抑制了鋰枝晶的生長。研究發現，具有多孔銅集流體的鋰負極，具有較高的循環穩定性，200圈內平均庫倫效率約98.5％。此外，基于此種集流體所組裝的LiFePO4/Li全電池表現出優異的倍率性能和穩定的循環性能。相關成果以題為“StableLiMetalAnodesviaRegulatingLithiumPlating/StrippinginVerticallyAlignedMicrochannels”發表在了AdvancedMaterials上。

【圖文導讀】

圖1多孔銅集流體示意圖及模擬計算分析

a）設計的多孔銅集流體示意圖

b-d）多孔銅集流體上表面的電流密度分布模擬結果，圖中標尺為10μm。

e）鋰優先沉積在多孔銅管壁上的示意圖

f，h，j，l）具有不同孔半徑的多孔銅上表面SEM圖

g，i，k，m）具有不同孔半徑的多孔銅的斷面SEM圖

圖2鋰在不同孔半徑的銅集流體上沉積形貌的演變

a-d）半徑分別為5μm，7.5μm，10μm及15μm的多孔銅集流體上沉積鋰的SEM圖

e）在平板銅上沉積鋰的SEM圖

f）Li沉積在不同孔尺寸集流體內的過電勢比較