2022年11月27日，西北工業(yè)大學艾偉教授與南洋理工大學顏清宇教授在清華大學主辦的高水平學術(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為是最具潛力的下一代新型儲能系統(tǒng)之一。然而，鋰負極電化學穩(wěn)定性差、電極體積膨脹大，極易導致嚴重的副反應和枝晶生長，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，導致嚴重的疏鋰性質(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，需對銅集流體進行功能化設計。

基于功能化銅集流體的設計理念和工作機制，本文系統(tǒng)性綜述了近年來功能化銅集流體在長循環(huán)、無枝晶鋰金屬負極開發(fā)中的研究進展。首先，對鋰金屬電池失效的關(guān)鍵因素和挑戰(zhàn)進行了詳細梳理，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、圖案化設計、親鋰性位點修飾以及界面保護層構(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）化學穩(wěn)定性，銅箔作為基底或原材料被進一步構(gòu)建成三維一體化或復合骨架，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。

最后，對功能化銅集流體的未來發(fā)展方向進行了展望。

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