鋰金屬由于其超高的比容量（3860 mAh g-1）和極低的氧化還原電位（-3.04 V）一直以來被人們視為二次電池材料中的圣杯。然而，鋰金屬電極在循環過程中易形成不穩定的固態電解質層（SEI）和針狀的鋰枝晶，導致庫倫效率低、循環性能差，甚至帶來嚴重的安全隱患，極大地阻礙了其實際應用。

 

       近日，南京大學化學化工學院金鐘教授帶領的“清潔能源材料與器件”研究團隊設計了一種基于犧牲模板熱熔法構筑和納米晶種修飾的三維多孔銅骨架用于穩定循環的鋰金屬負極集流體。用該方法獲得的鋰金屬復合電極所組成的對稱電池在1.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2的條件下能穩定循環1300 h而不表現出明顯的電壓遲滯。此外，基于這種鋰復合負極和磷酸鐵鋰正極的鋰電池也展現出高庫倫效率、優異的循環穩定性和倍率性能。相關研究成果以“Template-Sacrificed Hot Fusion Construction and Nanoseed Modification of 3D Porous Copper Nanoscaffold Host for Stable-Cycling Lithium Metal Anodes”為題發表在Advanced Functional Materials期刊上（論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202102735）。南京大學化學化工學院碩士研究生林慧楠、張澤文和王耀達為論文的共同第一作者。

 

       該團隊設計了一種犧牲模板熱熔構筑策略，實現了三維多孔銅納米骨架的便捷制備，并通過蒸鍍法實現了金納米晶種對于銅骨架的均勻修飾（圖1）。所制備的三維 銅納米骨架具備較大的比表面積和孔體積，不僅可以容納大量的金屬鋰，而且有助于緩解在循環過程中鋰負極較大的體積變化。而均勻分散的金納米晶種則極大地改善了金屬鋰對于銅骨架的潤濕性，從而有助于減小鋰金屬負極的電壓極化，提升其電化學動力學性能。通過一系列的測試和表征，證實在循環過程中金納米晶種會與金屬鋰發生合金化反應，引發了零形核勢壘的鋰金屬均勻沉積行為，從而獲得了光滑致密、無枝晶的鋰沉積形貌（圖2）。通過對于鋰-銅半電池、鋰-鋰對稱電池和鋰-磷酸鐵鋰全電池的性能測試，充分證明金納米晶種修飾的三維多孔銅骨架作為鋰金屬負極基體材料的顯著優勢（圖3, 4）。該工作為構建安全、穩定的鋰負極和發展高能量密度的鋰金屬電池提供了新的策略和思路。

 

       該研究工作得到了國家高層次人才特殊支持計劃科技創新領軍人才項目、國家自然科學基金優秀青年基金、國家重點研發計劃、JW科技委GF科技創新特區項目、ZB預研教育部聯合基金青年人才項目、江蘇省杰出青年基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。

圖1. 金納米晶種修飾的銅納米骨架實現均勻鋰沉積的示意圖和對其形貌及結構的表征。

圖2. 金納米晶種修飾的銅納米骨架的潤濕性測試、鋰金屬的零形核電勢測試和合金化反應的證明。

圖3. 不同鋰金屬電極所組成的對稱電池的循環性能對比

圖4. 不同鋰金屬負極所組成的磷酸鐵鋰全電池的循環性能對比