2022年11月27日，西北工業(yè)大學(xué)艾偉教授與南洋理工大學(xué)顏清宇教授在清華大學(xué)主辦的高水平學(xué)術(shù)期刊Nano Research Energy合作發(fā)表了題為“Present and future of functionalized Cu current collectors for stabilizing lithium metal anodes”的綜述文章。

隨著全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，傳統(tǒng)鋰離子電池（LIBs）已無法滿足現(xiàn)階段市場對高能量密度和低成本儲能器件的需求。鋰金屬電池（LMBs）由于其極低的電極電位和極高的理論容量被認(rèn)為是最具潛力的下一代新型儲能系統(tǒng)之一。然而，鋰負(fù)極電化學(xué)穩(wěn)定性差、電極體積膨脹大，極易導(dǎo)致嚴(yán)重的副反應(yīng)和枝晶生長，使LMBs容量快速衰減，甚至發(fā)生內(nèi)部短路和熱失控等危害。針對這些問題，功能化集流體開發(fā)、親鋰性主體材料構(gòu)筑、界面工程調(diào)控以及固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計等策略已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的鋰沉積/脫去調(diào)控，提升LMBs的循環(huán)穩(wěn)定性。其中，由于成熟的制備工藝和出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，銅集流體的功能化被認(rèn)為最具商業(yè)化潛力。不同于傳統(tǒng)LIBs，銅集流體在LMBs中不僅起到匯集和傳導(dǎo)電子的作用，而且能夠承載并調(diào)控鋰金屬的沉積/脫去。然而，商業(yè)化的銅集流體與鋰金屬存在較大的晶格失配度，導(dǎo)致嚴(yán)重的疏鋰性質(zhì)，造成較大的鋰形核過電位和不均勻的鋰沉積形貌。為提升銅集流體對鋰沉積/脫去行為的調(diào)控能力，需對銅集流體進(jìn)行功能化設(shè)計。

基于功能化銅集流體的設(shè)計理念和工作機(jī)制，本文系統(tǒng)性綜述了近年來功能化銅集流體在長循環(huán)、無枝晶鋰金屬負(fù)極開發(fā)中的研究進(jìn)展。首先，對鋰金屬電池失效的關(guān)鍵因素和挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)梳理，闡明了銅集流體改性的必要性以及亟待解決的主要問題。隨后，從銅集流體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計角度將其功能化策略分為三類（圖1），包括：

（1）銅箔的平面化改性：主要涉及銅箔的原子級改性、圖案化設(shè)計、親鋰性位點修飾以及界面保護(hù)層構(gòu)筑，調(diào)控集流體本征性質(zhì)和表面電場/離子場分布，誘導(dǎo)鋰金屬均勻形核和沉積。

（2）銅箔的三維構(gòu)建：憑借銅箔良好的加工性能和（電）化學(xué)穩(wěn)定性，銅箔作為基底或原材料被進(jìn)一步構(gòu)建成三維一體化或復(fù)合骨架，以均勻分散集流體表面的局部電流密度、提供鋰沉積容納空間、緩解電極體積膨脹。

（3）三維銅集流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用已商業(yè)化的三維銅網(wǎng)、銅泡沫或者自主構(gòu)建的三維骨架直接作為鋰金屬負(fù)極集流體，其多孔、貫通的交聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠提供更加快速的離子/電子傳輸通道，為大倍率、高能量密度鋰金屬電池的實現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)。

最后，對功能化銅集流體的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

論文信息：

https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120048

Liu Y, Li Y, Sun J, et al. Present and future of functionalized Cu current collectors for stabilizing lithium metal anodes. Nano Research Energy, 2022, https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120048.

來源：Nano Research Energy