铜集流体表面构建亲锂氧化铜纳米片阵列实现稳定的锂金属沉积

锂金属具有高的理论比容量和低的还原电位,是高能量密度锂基电池理想的负极材料。然而,锂金属在电池循环过程中不稳定的沉积和溶出导致表面形成的固态电解质界面(SEI)膜反复破裂、再生,产生枝晶和“死锂”,导致差的循环性能和较大的安全隐患。针对这些问题,设计三维集流体降低电极的有效电流密度是抑制锂枝晶生长的有效途径。然而传统的三维集流体和锂的亲合性不高,不利于锂的均匀形核和沉积,而且这种结构会占据电池内部较大的体积,不利于体积能量密度的提高。

清华大学深圳研究生院吕伟副教授团队和天津大学杨全红教授团队合作,对传统商用铜集流体表面进行改性,原位构筑亲锂的三维氧化铜纳米片阵列,实现了锂的均匀形核和稳定沉积。这种表面原位生长的亲锂氧化铜纳米片阵列,不但增强了集流体表面与锂的亲和性,而且阵列结构也有利于锂离子的均匀分布和快速扩散。氧化铜纳米片与铜集流体原位形成的界面具有良好的接触,保证了快速的电子传导。锂在上述集流体上沉积和溶出的平均库伦效率为94%,形成的锂金属负极与磷酸铁锂正极组装的全电池表现出良好的循环稳定性和较高的库伦效率。该工作从锂金属形核、沉积的角度出发,提出了一种简单有效的商用铜集流体表面改性方法调控锂金属的沉积,也对改善其他碱金属负极的沉积行为具有指导意义。

相关工作“Vertically Aligned Lithiophilic CuO Nanosheets on a Cu Collector to Stabilize Lithium Deposition for Lithium Metal Batteries”发表于Advanced Energy Materials上(DOI:10.1002/aenm.201703404)。