胡良兵教授Adv.Mater：柔性超薄锂合金负极的大规模印制技术

化学与材料科学

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文章信息

柔性锂合金负极的印制

第一作者：高金龙，陈朝吉，董麒

通讯作者：胡良兵

单位：马里兰大学

研究背景

金属锂负极具有超高的理论容量(3861 mAh g-1)和最低的氧化还原电位(-3.04 V vs. SHE)，因此是高能量密度锂电池的最佳选择。但是，金属锂负极在使用过程中存在的安全隐患以及低库伦效率等问题严重影响了其实际应用潜力。另外，金属锂的高黏度使得较薄锂金属的加工非常困难。

例如，现在普遍商用的300微米厚的金属锂带对应面容量密度为62 mAh cm-2，远远超过商用嵌入式正极材料的面容量密度(3 mAh g-1)，这其中巨大的差异不仅造成了金属锂的过度浪费，且进一步增加了电池的安全隐患。因此，研制一种超薄金属锂负极并使其兼具高库伦效率与高安全性对高能量密度锂电池的发展具有重大意义。

文章简介

近日，来自马里兰大学的胡良兵教授课题组，在Advanced Materials上发表题为“Stamping Flexible Li Alloy Anode”的研究论文。

作者受传统拓印技术的启发，发展了一种用于制备柔性超薄（15 微米）金属锂合金负极的大规模印刷术。

这一工艺是在200°C下，将采用铜制作的“印章”在熔化的锂锡合金“印泥”中进行蘸取后转移到基底上，得到具有超薄厚度的锂锡合金负极。

图1. Li-Sn合金负极的印制过程及在Cu箔上印制的大尺寸Li-Sn合金负极

这种印制方法不仅能够将锂锡合金印制在铜箔、不锈钢片和钛箔等导电基底上，还可以在聚酰亚胺薄膜和玻璃等非导电基底上进行印制。此外，印制在不同基底上的锂锡合金负极均具有良好的粘附性能，且锂锡合金负极的形状可以根据“印章”的形状进行任意调控。

图2. 不同形状以及不同基底上Li-Sn合金负极的印制

金属锡的加入不仅提高了合金的润湿性，使得锂金属在基底上能够铺展变得具有可印制性，并且充分分散的锡在锂离子的嵌入脱出过程中能够充当形核中心，使得锂能够均匀的沉积和脱出，通过这种机制，该合金能够很好地抑制锂枝晶的生长，并减少了无效锂的生成。

电化学测试表明，锡的加入可以使得Li||Li对称电池的过电位由50 mV降低到10 mV，从而显著提高电池的能量效率。

图3. 商业Li箔负极和印制的超薄Li-Sn合金负极的性能对比

相比于300 微米厚的锂箔，15 微米厚的锂锡合金减少了锂金属的浪费，并提高了电池的安全性和经济性。另外，印制得到的锂锡合金负极具有可折叠性，其与NMC正极组装的软包电池表现出很好的柔性，有潜力应用于各种可穿戴电子设备。

锂锡合金负极的印制技术可以进行大规模生产，且根据不同形状和尺寸的需求进行设计，满足各种柔性电池负极材料的需求。这种合金负极的印制方法同时也适用于钠、钾、镁等金属的超薄柔性负极的制备。

图4. 商业Li箔负极和印制的超薄Li-Sn合金负极的应用对比

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202005305

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