【布景介绍】

全球能源危机和环境恶化加快了绿色能源技能的开展，继而引起了人们对充电机充电锂离子蓄电池（LIB）在内的绿色储能技能的广泛重视。从上世纪90年代开端，LIBs的商业化极大地推动了包含笔记本、移动电话等便携式电子产品的开展和遍及。然而近年来，跟着电动汽车及其他先进便携式电子产品的快速开展，现在的充电机充电锂离子蓄电池现已逐步不能满意其需求。在这种布景下，充电机充电高能量密度蓄电池已成为当时的研讨热门范畴，相关研讨效果遭到广泛的重视。锂金属负极因为具有较高的理论比容量及最低的负极电化学势而有望成为充电机充电高能量密度锂电池中抱负的负极资料，然而其运用过程中容易形成枝晶，并由此引发的充电机充电蓄电池安全性等问题严峻阻止了锂负极的实践应用。因而处理锂金属负极在运用过程中存在的枝晶问题，具有重要的科学含义及实用价值。

【效果简介】

近来，中国科学院化学研讨所王书华博士（榜首作者）和郭玉国研讨员（通讯作者）报导了经过在笔直微孔孔道中调理锂的堆积/溶解来得到安稳的锂金属负极，进而按捺锂枝晶的成长。他们系统剖析了多孔铜集流体结构参数对电流密度散布的影响以及锂在不同尺度的多孔铜集流体内的描摹演化。经过COMSOL Multiphysics理论模仿，发现顶级效应导致锂在微孔道壁内的优先堆积，比较平板铜，他们规划的集流体具有较大的比外表积和孔体积，有效削减了金属锂在集流体外表的堆积，进而按捺了锂枝晶的成长。研讨发现，具有多孔铜集流体的锂负极，具有较高的循环安稳性，200圈内均匀库伦功率约98.5％。此外，根据此种集流体所拼装的LiFePO4/Li全充电机充电蓄电池表现出优异的倍率功能和安稳的循环功能。相关效果以题为“Stable Li Metal Anodes via Regulating Lithium Plating/Stripping in Vertically Aligned Microchannels”宣布在了Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 多孔铜集流体示意图及模仿计算剖析

a）规划的多孔铜集流体示意图

b-d）多孔铜集流体上外表的电流密度散布模仿效果，图中标尺为10 μm。

e）锂优先堆积在多孔铜管壁上的示意图

f，h，j，l）具有不同孔半径的多孔铜上外表SEM图

g，i，k，m）具有不同孔半径的多孔铜的断面SEM图

锂在不同孔半径的铜集流体上堆积描摹的演化

a-d）半径别离为5 μm，7.5 μm，10 μm及15 μm的多孔铜集流体上堆积锂的SEM图

e）在平板铜上堆积锂的SEM图

f）Li堆积在不同孔尺度集流体内的过电势比较

锂堆积在多孔铜集流体的EPMA图及SEM断面图

a-d）电流密度为1mA cm -2的多孔Cu-5-50-12上堆积不同容量锂时的EPMA图

e，f）在多孔Cu-5-50-12上锂堆积物的SEM断面图

功能剖析

a）运用不同孔半径的多孔铜集流体时，充电机充电对称蓄电池的循环功能

b）锂堆积在平板铜及多孔Cu-5-50-12时的循环安稳功能及库伦功率

c）锂堆积在多孔Cu-7.5-50-17、Cu-10-50-22、Cu-15-50-32时的循环安稳功能及库伦功率

d）不同循环圈数下，平板铜和多孔Cu-5-50-12的Li堆积/溶解时电压散布细节图

e）不同循环圈数下，锂堆积在平板铜及多孔Cu-5-50-12上EIS图

与磷酸铁锂（LFP）组成充电机充电蓄电池后循环功能及倍率功能剖析

a，b别离以多孔Cu-5-50-12 a)和平板铜b)为集流体的锂负极，与充电机充电磷酸铁锂组成电池后，不同循环圈数时的电化学功能

c）平板铜和多孔铜为集流体时，Li / LFP充电机充电蓄电池的循环功能比较

d）平板铜和多孔铜为集流体时，Li / LFP充电机充电蓄电池的倍率功能比较

【小结】

该团队规划了具有顶级效应的笔直微孔孔道结构以按捺Li枝晶的成长。多孔铜的几许形状及结构参数明显影响电流密度散布，堆积锂的描摹及其在半充电机充电蓄电池和全充电机充电蓄电池中的电化学功能。研讨效果表明，具有笔直摆放的铜微孔孔道结构为安全的锂负极规划供给了一个可行性的选择。

团队介绍：

为处理充电机充电锂金属蓄电池循环中面对的锂枝晶及库伦功率低一级问题，中国科学院化学研讨所郭玉国研讨员领导的研讨团队近年来在此范畴进行了广泛而深化的研讨。在科技部、国家自然科学基金委及中国科学院的大力支持下，研讨团队锐意进取，取得了一系列的重要效果和发展。

团队在该范畴作业汇总：

该团队研讨组研讨人员长时间致力于金属锂负极方面的相关研讨，提出了一些列按捺锂枝晶及进步库伦功率的新的方法和战略。在前期作业中，初次提出使用三维铜集流体引导锂在电极内部的均匀堆积及溶解，作为范畴内具有前瞻性的重要规划理念，为后续多孔集流体研讨供给了重要依据（Nat. Commun., 2015, 6,8058）。随后，研讨人员结合石墨资料的结构优势，在三维导电骨架上成长石墨化的碳颗粒，控制了碳球外表金属锂枝晶的成长，在负极容量仅过量5%的条件下，充电机充电蓄电池仍然具有安稳的循环功能（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5916）。为了处理高面容量金属锂负极枝晶问题，研讨人员选用石墨化碳纤维作为多功能三维集流体，面容量可高达8 mAh cm-2，该高容量锂负极在循环过程中具有高库伦功率、长循环寿数及低极化电压的特色（Adv. Mater., 2017, 29, 1700389）。近来，针对负极集流体上电流密度散布的问题，他们报导了一种笔直摆放的铜微米通道结构，理论模仿了电流密度的具体散布，并给出了不同尺度参数对电流密度及锂堆积行为的影响，为安全锂负极集流体的结构规划给出了重要的理论指导（Adv. Mater., 2017, doi：10.1002/adma.201703729）。为了削减金属锂与电解液之间的副反应，研讨者开发了一种根据原位处理技能的磷酸锂固态电解质界面膜，较好地按捺了枝晶的成长（Adv. Mater., 2016, 28, 1853），除此之外，该团队规划出一类由醚类电解液和离子液体混合而成的新电解液系统，明显改进了锂的循环安稳功能（Adv. Sci,.2017, 4, 1600400），而在酯类电解液系统中经过增加AlCl3，获得了安稳的金属锂与酯类电解液之间的界面（Nano Energy, 2017, 36, 411）。别的，他们还撰写了系列总述文章，对充电机充电金属锂电池的研讨进行了总结概括，并为该范畴的后续开展方向给出了前瞻性的猜测和判别。