三維（3D）親鋰集流體是調節鋰金屬負極中鋰枝晶和體積變化的有效途徑之一，然而目前最先進的集流體在高溫環境下使用熔融鋰注入時面臨著親鋰層熔化或脫落挑戰。近日，南方科技大學
鄧永紅教授和中國科學技術大學餘彥教授採用熔融鋰注入策略，使用含有親鋰Zn的三維多孔CuZn合金集流體對Li進行預儲存，從而製備了3D複合鋰金屬負極。同時結合成核過電位、結合能計算和鋰沉積/剝離形貌的演變觀察等一系列技術證明了Zn對Li的強吸附力作用，從而性能得到大幅度提升。相關論文以題為“Lithiophilic Zn Sites in Porous CuZn Alloy Induced Uniform Li Nucleation and Dendrite-Free Li Metal Deposition”於2020年3月9日發表在Nano Lett.上。論文鏈接
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00352
鋰金屬負極具有理論容量高（3860 mAh g-1）重量輕（0.53 g cm-2）和電化學電位低（−3.04V與標準氫電極相比）等優點，被認為是高能量密度鋰離子電池的一種很有前途的負極候選材料。不幸的是，阻礙其商業化的最大障礙是：長期重複沉積/剝離過程導致不可控的鋰枝晶生長和無限的體積膨脹。由此引發的後果為：枝晶穿透隔膜引發電池短路或爆炸；消耗大量鋰引發庫倫效率低和容量衰減快；“死鋰產生”引發引發電池內部巨大體積膨脹。解決的思路為：抑制鋰枝晶的生長和緩解電化學循環過程中的體積膨脹。解決的策略為：如開發電解質添加劑以提高SEI的穩定性，利用高模量電解質抑制鋰枝晶滲透和設計穩定的人工SEI層等。從鋰金屬無“主體”的本身性質和鋰枝晶形成的基本原理出發，具有豐富預儲鋰的3D集流體被認為是最有效的解決辦法。
本文采用一種簡便的脫合金法制備了具有親鋰Zn位點的三維多孔CuZn合金集流體，並採用熔融鋰注入的方法對鋰進行預儲存，從而製備了3D複合鋰負極結構。與以往報道的3D集流體框架上包覆的親鋰層不同的是，在三維多孔CuZn合金集流體合金化了親鋰的Zn，利用熱輸入熔融鋰策略可直接置於熱熔化高溫環境中。擁有親鋰的Zn位點的三維多孔CuZn合金集流體，在不間斷的沉積/剝離過程中，不僅可以分散Li成核和誘導均勻的Li沉積，而且還可以為金屬鋰的儲存提供一個較大的內部間隙，從而有效地降低了電流密度，抑制了Li枝晶的生長，減輕了Li金屬的體積變化。
圖1.Li/CuZn複合電極的製備與表徵
圖2. Cu和CuZn電極的庫侖效率和成核過電位
圖3. 普通Li箔和Li/CuZn複合電極電化學行為的原位光學顯微鏡圖像
圖4.Li/CuZn複合電極和普通Li箔的全電池電化學性能
總之，本文成功的展現了一種具有高性能的Li/CuZn複合鋰金屬負極，相比於傳統的鋰負極，成功地調節了鋰沉積的行為和抑制了鋰枝晶的生長，特別強調調節Li在萌芽階段成核的重要性。從而為構建安全無枝晶鋰金屬負極提供了一種新的解決方案，並對其他鹼金屬具有指導意義。（文：Caspar）
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