摘要：近日，窦世学院士、上海理工大学吴超教授、上海大学蒋永研究员团队合作在Advanced Functional Materials期刊发表题为「Advanced Hierarchical Lithiophilic Scaffold Design to Facili
近日，窦世学院士、上海理工大学吴超教授、上海大学蒋永研究员团队合作在Advanced Functional Materials期刊发表题为「Advanced Hierarchical Lithiophilic Scaffold Design to Facilitate Synchronous Deposition for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries」的研究论文，姜金龙为论文第一作者，蒋永研究员、吴超教授为论文共同通讯作者。研究人员通过分层结构设计，首次提出并展示了一种上下同步沉积模式。对称电池的循环寿命延长了3700小时，过电势低至15.6 mV，优于之前报道的锂金属阳极。与LiFePO₄匹配的全电池显示出1000次循环的寿命，容量保持率为91.6%。
研究内容
局部沉积行为容易诱导锂枝晶生长，并阻碍锂存储空间的充分利用，这严重阻碍了三维导电载体在实际中的应用。
窦世学院士、上海理工大学吴超教授、上海大学蒋永研究员团队研究通过对3D锂载体进行分层结构设计，首次提出了一种全新的同步沉积模式。3D载体自上而下逐渐增强的亲锂性和导电性为Li+向下迁移提供了足够的驱动力，促进了Li在载体整个空间内的同步沉积。值得注意的是，这种新型沉积模式分别通过有限元模拟和原位光学显微镜进行了理论和实验验证。精心设计的策略不仅最大限度地利用了整个3D载体空间，而且在高电流速率下防止了Li枝晶的形成。因此，Li//Li对称电池的长期循环寿命超过3700小时，过电势低至15.6 mV，在3 mA cm⁻²下的300次循环中库仑效率高达99.5%。与LiFePO₄阴极配对的全电池具有1000次循环的循环寿命，容量保持率为91.6%。所提出的同步沉积策略为无枝晶锂金属阳极3D载体的设计和构建开辟了新范式。
研究人员通过分层结构设计，首次提出并展示了一种上下同步沉积模式。首先，将ZnO均匀地涂覆在CF的上层，然后在底部施加具有更高电子导电性和亲锂性的Au导电层。因此，CF表面的电导率和亲锂性从上到下逐渐增加，为Li+向下迁移提供了驱动力。值得注意的是，载体的快速离子传输和低电子电导率的结合促进了Li金属在载体内的同时沉积。这种设计良好的策略不仅最大限度地利用了整个3D载体来适应体积膨胀，而且有效地防止了高电流密度下Li枝晶的形成。因此，对称电池的循环寿命延长了3700小时，过电势低至15.6 mV，优于之前报道的锂金属阳极。与LiFePO₄匹配的全电池显示出1000次循环的寿命，容量保持率为91.6%。
图1 | a）ZnO-Au/CF（ZAC）主体的制备和Li沉积工艺的演变示意图。b）ZAC主体的XRD图谱。ZAC主体的c）O 1s和d）Zn 2p XPS光谱。e）ZnO/CF（ZC）、f）Au/CF（AC）和g）ZAC载体的顶面和底面的SEM图像和相应的元素映射。
图2 | Li原子在a）Au、b）Cu和c）LiZn的[100]和[111]晶面上的吸附结构。d）相应结合能。e–g）通过COMSOL模拟计算不同载体的Li+分布。Li+在不同载体上的沉积机理，h）AC阳极，局部沉积。i）LZC阳极，局部沉积，j）LZAC阳极，同步沉积。
图3 | 电流密度为1 mA cm⁻²，在a）2 mAh cm⁻²，b）5 mAh cm⁻²和c）10 mAh cm⁻²下电镀后，LZAC电极顶面和底面的SEM图像。d）沉积10 mAh cm⁻²后LZAC电极顶面和底面的粗糙度。e）沉积10 mAh cm⁻²后不同载体的表面粗糙度总结。f）AC、g）LZC和h）LZAC载体中Li沉积过程的原位光学显微镜图像。
图4 | AC、LZC和LZAC阳极分别在a）1 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻²和c）3 mA cm⁻²和3 mAh cm⁻²下的电压-时间曲线。b）电化学性能与文献数据的比较。d）3 mA cm⁻²下10和100次循环后的奈奎斯特曲线。不同电极在e）1mA cm⁻²、1mAh cm⁻²和f）3mA cm⁻²和3mAh cm⁻²中的库仑效率。g，h）50和i，j）200次循环后LZAC电极顶面和底面的SEM图像。
图5 | 全电池的电化学性能。a）采用不同载体时，与LiFePO₄（LFP）正极匹配的全电池在1C倍率下的循环性能。b）1C下全电池性能与文献的比较。c）采用不同载体时，全电池在2C倍率下的循环性能。d）倍率性能曲线。e）全电池结构示意图。f）当N/P低至1.5时，全电池在1C倍率下的循环性能。
总结
通过构建层状亲锂载体，成功实现了同步沉积模式。自上而下增强的亲锂导电结构为Li+向下迁移提供了足够的驱动力，从而确保Li+在整个载体中同步沉积。值得注意的是，同步沉积模式不仅通过理论计算得到了验证，而且在原位光学显微镜下也得到了清晰的观察。新型沉积模式可以最大限度地利用3D载体的整个空间，防止特定区域的Li+快速消耗，并确保Li沉积均匀。因此，用LZAC电极组装的对称电池具有3700小时的延长循环寿命和15.6 mV的低过电位。此外，与LiFePO₄配对的全电池可以在1C下保持1000次循环的稳定循环，保持91.6%的容量。即使在1.5的低N/P比下，全电池在500次循环后仍保持92.3%的高容量保持率。这种新型锂沉积模型的引入和验证为设计适用于高能量密度电池的先进3D集流体开辟了新方向。
--生化环材人
来源：Future远见