注：文末有彩蛋
可伸縮電子器件，如可穿戴設備、智能衣服、電子皮膚、顯示器以及可植入醫學器件等，受到了人們越來越多的關注，市場潛力巨大。為這些電子器件供能的電池同樣需要具有一定的可伸縮性，在這方面，可伸縮鋰離子電池備受關注。近年來，可伸縮電池得到了蓬勃發展，其循環穩定性、可伸縮性等都得到了很大的提升。然而，現有的可伸縮電池的能量密度太小，無法滿足電子器件對能量日漸增長的需求，已經成為可伸縮電子器件發展的瓶頸。究其原因在於現有電池中所使用的電活性物質的儲鋰容量太小。比如，現有的可伸縮電池最常用的負極材料是鈦酸鋰，循環穩定性極好，適合在拉伸-收縮的機械變形這種苛刻條件下保持穩定的電化學性能。然而，鈦酸鋰僅有約170 mAh/g的比容量，其電勢也相對較高（相對於Li/Li+約1.5 V）。作為電池負極來講，這些參數都極大地降低了可伸縮電池的能量密度。
鋰金屬具有理論上最高的儲鋰比容量（3860 mAh/g），而且電勢很低（相比標準氫電極：-3.040 V），是作為鋰電池負極的理想材料。若以鋰金屬作為可伸縮電池的負極，其能量密度將會得到極大地提升。但關鍵問題是，鋰金屬並不能被拉伸：在拉伸過程中，鋰金屬會經歷不可逆的塑性形變，當應變超過25%，鋰金屬將發生頸縮，隨後會很快斷裂。此外，鋰金屬電極的電化學穩定性很差，庫倫效率衰減很快，同時在循環過程中容易因危險的鋰枝晶而造成電池的安全問題。以上問題極大限制了鋰金屬在彈性電池中的應用。
針對這個問題，斯坦福大學的崔屹教授研究組首次製備了彈性可伸縮鋰負極。他們將鋰金屬用橡膠分割成了若干微區，這些微區通過鑲嵌在橡膠中的銅線相連，成為“一體化”的結構。銅線被做成彈簧，保證了其可拉伸性。這樣，在電極受到外力而拉伸時，銅彈簧可以變形，填充在彈簧間隙中的橡膠可以吸收機械衝擊能量，從而保護鋰金屬微區免受其影響。同時，鋰金屬的微區是“一體化”連接在一起的，因此即使在機械變形條件下，它們都能夠保持極好的電連接，從而保證電化學反應的穩定進行。這種結構設計能夠使得鋰金屬電極能夠在機械拉伸過程中保持較好的電化學性能，在往復的機械變形後，庫倫效率衰減很小。此外，由於鋰金屬微區的三維結構特點，它極大提高了電極的有效面積，降低了局域電流密度，抑制了鋰枝晶的生長，這使得鋰金屬的電化學循環穩定性大大提高。相關工作發表於Cell Press旗下能源領域新旗艦期刊
Joule 。具體制備過程如圖1。作者將直徑為150微米的銅絲做成“一維”銅彈簧，再進一步將“一維”銅彈簧按照“阿基米德”圖案卷繞成“二維”彈簧。進一步的，將聚（乙烯-異丁烯-苯乙烯）橡膠（SEBS）的溶液注入到彈簧的螺紋縫隙中，等溶劑揮發幹後即可得到“金屬-橡膠”複合的二維電極。其中銅線被浸入的橡膠分隔為銅金屬的微區，通過進一步的電沉積鋰金屬，即可得到可伸縮的彈性鋰負極。值得注意的是，此電極僅由一根銅絲構成（一體化）。此製備過程簡單高效，通過多級纏繞單根銅絲即可製備可拉伸電極。
圖1. 彈性鋰負極的製造過程。
作者測試了在未拉伸狀態下此彈性鋰負極的電化學穩定性。同時，用傳統的二維銅箔作為對比樣品。如圖2所示，在電流密度為1 mA cm-2和2 mA cm-2，容量為 1 mAh cm-2時，彈性鋰負極均具有很好的電化學穩定性。同時，掃描電鏡（SEM）圖像表明，確實得到了如圖1中設想的電極結構。
圖2. 彈性鋰金屬負極的電化學性能和SEM圖像。
進一步的，作者研究了此鋰金屬電極的彈性。在60%的應變條件下，由於其“一體化”設計，電極的導電性幾乎不受影響。而且電化學性能也和原始狀態（0%的應變）下保持一致。
圖3. 彈性鋰金屬負極在拉伸狀態下的機械性能和電化學性能。
作者測試了在動態的機械拉伸-回縮循環中，此鋰金屬電極的電化學性能。如圖4，當鋰金屬電極在正常充放電過程中，施加機械應力，使其變形到應變約為60%，然後回縮。此過程循環100次後，鋰金屬電極的電化學性能收到的影響很小，說明了此結構的設計能夠使得鋰金屬電極不僅具有很好的機械彈性，還具有經受機械衝擊力的能力，保持電化學性能。
圖4. 拉伸/回縮機械循環下的電化學循環穩定性。
總之，彈性鋰金屬電極的成功製備是從現有的彈性“鋰離子電池”向下一代彈性“鋰金屬電池”進軍的關鍵一步，這有望極大提高電池的能量密度，為柔性電子器件的發展注入新的活力！
後記：
先放出崔屹教授的生活照一張，滿滿的活力和正能量感受一下！
原文
Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability
Kai Liu, Biao Kong, Wei Liu, Yongming Sun, Min-Sang Song, Jun Chen, Yayuan Liu, Dingchang Lin, Allen Pei, Yi Cui
Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.003
導師介紹
崔屹
http://www.x-mol.com/university/faculty/35078
（本稿件來自
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