最近，北京科技大学的范丽珍教授，军事科学院张浩研究员与清华大学南策文院士合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Self-Propagating Enabling High Lithium Metal Utilization Ratio Composite Anodes for Lithium Metal Batteries”的观点文章。该文章通过改进的熔融方法，提出自蔓延法制备低负载（8mAh cm-2），高锂利用率（75%）的三维结构复合金属锂，兼具优异的机械强度和柔性特性。在熔融锂与氧化层的化学反应和毛细作用的协同作用下，实现了金属锂仅存在于铜网纤维表面，未占据其内部空间的三维锂负极结构。在1.0 mA cm-2， 1.0 mAh cm-2条件下表现出极小的极化和长达1600h的循环寿命。即使在6.0 mAh cm-2（锂利用率高达75%），也表现出减小的极化和600h的循环寿命。在液态和固态全电池中也表现出了提升的循环稳定性。
本文要点
要点一：自蔓延现象及机理研究图1. 融锂过程中的光学照片 图2. （a-c）Cu，CuO和Cu2+1O结合能，(d)自蔓延过程结构变化的SEM（I反应后，II反应中，III未反应） 图3. 自蔓延法制备三维锂负极示意图。自蔓延法来制备低负载的三维Cu/Li锂负极。首先，熔融态金属锂与铜网表面的亲锂氧化层发生剧烈的化学反应，释放出大量的化学能。促进表面层的重构并吸附一定量锂。将铜网提离加热源后，吸附的锂并继续与未反应的氧化层反应，在连续的化学反应和毛细作用下，产生自蔓延过程实现三维锂负极设计。 要点二：简单的制备方法图4. 热处理后CuO-Cu相关表征。（a）的SEM图，（b）断面处Mapping表征，（c）HRTEM图，(d) XRD，(d)XPS，(e)Cu/Li柔性复合光学照片通过简单的空气中500度加热1h加热处理，在铜网表面制备有多孔结构组成的亲锂氧化层。 要点三：可调控的负载量及三维结构图5.（a）三维锂负极制备示意图，(b)原始铜网SEM，(c)热处理后CuO-Cu的SEM，(d)8.0 mAh cm-2低负载量Cu/Li的SEM，(e)12.0 mAh cm-2负载量Cu/Li的SEM，(f)24.0 mAh cm-2高负载量Cu/Li的SEM。从原料铜网到Cu/Li复合材料的制备，均能保持其三维网状结构。同时，通过控制锂与氧化铜的反应时间，可以实现三种典型负载量和结构的三维锂负极。即：8mAh 8.0 mAh cm-2下，锂仅存在与铜网状结构表面；12mAh 8.0 mAh cm-2下，暴露部分基底骨架；24mAh 8.0 mAh cm-2下，锂完全覆盖三维基底。低负载量锂更能发挥三维基底的结构特点，从而来改善锂沉积行为。 要点四：优异的电化学性能图6. （a）1.0 mA cm-2, 1.0 mAh cm-2对称循环测试，（b）1.0 mA cm-2, 6.0 mAh cm-2对称循环测试，（c）5.0 mA cm-2, 1.0 mAh cm-2对称循环测试，（d）熔融法制备三维锂负极的对比图，(e)全电池循环稳定性测试Cu/Li对称电池在1.0 mA cm-2, 1.0 mAh cm-2条件下，能够稳定循环1600h以上；5.0 mA cm-2, 1.0 mAh cm-2条件下也能稳定循环60h（150圈）以上。最重要的是，在1.0 mA cm-2, 6.0 mAh cm-2（锂利用率高达75%）条件下，也能稳定循环600h以上。相比其他熔融法制备三维锂负极，在负载量和利用率方便都表现出了突出的优势。
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Self-Propagating Enabling High Lithium Metal Utilization Ratio Composite Anodes for Lithium Metal Batterieshttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04546