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【布景介紹】

全球能源危機和環境惡化加快了綠色能源技能的開展，繼而引起了人們對充電機充電鋰離子蓄電池（LIB）在內的綠色儲能技能的廣泛重視。從上世紀90年代開端，LIBs的商業化極大地推動了包含筆記本、移動電話等便攜式電子產品的開展和遍及。然而近年來，跟著電動汽車及其他先進便攜式電子產品的快速開展，現在的充電機充電鋰離子蓄電池現已逐步不能滿意其需求。在這種布景下，充電機充電高能量密度蓄電池已成為當時的研討熱門范疇，相關研討效果遭到廣泛的重視。鋰金屬負極因為具有較高的理論比容量及最低的負極電化學勢而有望成為充電機充電高能量密度鋰電池中抱負的負極資料，然而其運用過程中容易形成枝晶，并由此引發的充電機充電蓄電池安全性等問題嚴峻阻止了鋰負極的實踐應用。因而處理鋰金屬負極在運用過程中存在的枝晶問題，具有重要的科學含義及實用價值。

【效果簡介】

近來，中國科學院化學研討所王書華博士（榜首作者）和郭玉國研討員（通訊作者）報導了經過在筆直微孔孔道中調理鋰的堆積/溶解來得到安穩的鋰金屬負極，進而按捺鋰枝晶的成長。他們系統剖析了多孔銅集流體結構參數對電流密度散布的影響以及鋰在不同尺度的多孔銅集流體內的描摹演化。經過COMSOL Multiphysics理論模仿，發現頂級效應導致鋰在微孔道壁內的優先堆積，比較平板銅，他們規劃的集流體具有較大的比外表積和孔體積，有效削減了金屬鋰在集流體外表的堆積，進而按捺了鋰枝晶的成長。研討發現，具有多孔銅集流體的鋰負極，具有較高的循環安穩性，200圈內均勻庫倫功率約98.5％。此外，根據此種集流體所拼裝的LiFePO4/Li全充電機充電蓄電池表現出優異的倍率功能和安穩的循環功能。相關效果以題為“Stable Li Metal Anodes via Regulating Lithium Plating/Stripping in Vertically Aligned Microchannels”宣布在了Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 多孔銅集流體示意圖及模仿計算剖析

a）規劃的多孔銅集流體示意圖

b-d）多孔銅集流體上外表的電流密度散布模仿效果，圖中標尺為10 μm。

e）鋰優先堆積在多孔銅管壁上的示意圖

f，h，j，l）具有不同孔半徑的多孔銅上外表SEM圖

g，i，k，m）具有不同孔半徑的多孔銅的斷面SEM圖

鋰在不同孔半徑的銅集流體上堆積描摹的演化

a-d）半徑別離為5 μm，7.5 μm，10 μm及15 μm的多孔銅集流體上堆積鋰的SEM圖

e）在平板銅上堆積鋰的SEM圖

f）Li堆積在不同孔尺度集流體內的過電勢比較

鋰堆積在多孔銅集流體的EPMA圖及SEM斷面圖

a-d）電流密度為1mA cm -2的多孔Cu-5-50-12上堆積不同容量鋰時的EPMA圖

e，f）在多孔Cu-5-50-12上鋰堆積物的SEM斷面圖

功能剖析

a）運用不同孔半徑的多孔銅集流體時，充電機充電對稱蓄電池的循環功能

b）鋰堆積在平板銅及多孔Cu-5-50-12時的循環安穩功能及庫倫功率

c）鋰堆積在多孔Cu-7.5-50-17、Cu-10-50-22、Cu-15-50-32時的循環安穩功能及庫倫功率

d）不同循環圈數下，平板銅和多孔Cu-5-50-12的Li堆積/溶解時電壓散布細節圖

e）不同循環圈數下，鋰堆積在平板銅及多孔Cu-5-50-12上EIS圖

與磷酸鐵鋰（LFP）組成充電機充電蓄電池后循環功能及倍率功能剖析

a，b別離以多孔Cu-5-50-12 a)和平板銅b)為集流體的鋰負極，與充電機充電磷酸鐵鋰組成電池后，不同循環圈數時的電化學功能

c）平板銅和多孔銅為集流體時，Li / LFP充電機充電蓄電池的循環功能比較

d）平板銅和多孔銅為集流體時，Li / LFP充電機充電蓄電池的倍率功能比較

【小結】

該團隊規劃了具有頂級效應的筆直微孔孔道結構以按捺Li枝晶的成長。多孔銅的幾許形狀及結構參數明顯影響電流密度散布，堆積鋰的描摹及其在半充電機充電蓄電池和全充電機充電蓄電池中的電化學功能。研討效果表明，具有筆直擺放的銅微孔孔道結構為安全的鋰負極規劃供給了一個可行性的選擇。

團隊介紹：

為處理充電機充電鋰金屬蓄電池循環中面對的鋰枝晶及庫倫功率低一級問題，中國科學院化學研討所郭玉國研討員領導的研討團隊近年來在此范疇進行了廣泛而深化的研討。在科技部、國家自然科學基金委及中國科學院的大力支持下，研討團隊銳意進取，取得了一系列的重要效果和發展。

團隊在該范疇作業匯總：

該團隊研討組研討人員長時間致力于金屬鋰負極方面的相關研討，提出了一些列按捺鋰枝晶及進步庫倫功率的新的方法和戰略。在前期作業中，初次提出使用三維銅集流體引導鋰在電極內部的均勻堆積及溶解，作為范疇內具有前瞻性的重要規劃理念，為后續多孔集流體研討供給了重要依據（Nat. Commun., 2015, 6,8058）。隨后，研討人員結合石墨資料的結構優勢，在三維導電骨架上成長石墨化的碳顆粒，控制了碳球外表金屬鋰枝晶的成長，在負極容量僅過量5%的條件下，充電機充電蓄電池仍然具有安穩的循環功能（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5916）。為了處理高面容量金屬鋰負極枝晶問題，研討人員選用石墨化碳纖維作為多功能三維集流體，面容量可高達8 mAh cm-2，該高容量鋰負極在循環過程中具有高庫倫功率、長循環壽數及低極化電壓的特色（Adv. Mater., 2017, 29, 1700389）。近來，針對負極集流體上電流密度散布的問題，他們報導了一種筆直擺放的銅微米通道結構，理論模仿了電流密度的具體散布，并給出了不同尺度參數對電流密度及鋰堆積行為的影響，為安全鋰負極集流體的結構規劃給出了重要的理論指導（Adv. Mater., 2017, doi：10.1002/adma.201703729）。為了削減金屬鋰與電解液之間的副反應，研討者開發了一種根據原位處理技能的磷酸鋰固態電解質界面膜，較好地按捺了枝晶的成長（Adv. Mater., 2016, 28, 1853），除此之外，該團隊規劃出一類由醚類電解液和離子液體混合而成的新電解液系統，明顯改進了鋰的循環安穩功能（Adv. Sci,.2017, 4, 1600400），而在酯類電解液系統中經過增加AlCl3，獲得了安穩的金屬鋰與酯類電解液之間的界面（Nano Energy, 2017, 36, 411）。別的，他們還撰寫了系列總述文章，對充電機充電金屬鋰電池的研討進行了總結概括，并為該范疇的后續開展方向給出了前瞻性的猜測和判別。