全球能源危機和環境惡化加速了綠色能源技術的發展
，繼而引起了人們對鋰離子電池（LIB）在內的綠色儲能技術的廣泛關注。從上世紀90年代開始，LIBs的商業化極大地推動了包括筆記本、移動電話等便攜式電子產品的發展和普及。然而近年來，隨著電動汽車及其他先進便攜式電子產品的快速發展，目前的鋰離子電池已經逐漸不能滿足其需求。在這種背景下
，高能量密度電池已成為當前的研究熱點領域，相關研究成果受到廣泛的關注。lijinshufujiyouyujuyoujiaogaodelilunbirongliangjizuididefujidianhuaxueshieryouwangchengweigaonengliangmidulidianchizhonglixiangdefujicailiao，ranerqishiyongguochengzhongrongyixingchengzhijing，bingyouciyinfadedianchianquanxingdengwentiyanzhongzuailelifujideshijiyingyong。yincijiejuelijinshufujizaishiyongguochengzhongcunzaidezhijingwenti，juyouzhongyaodekexueyiyijishiyongjiazhi。

 

 

近日，中國科學院化學研究所王書華博士（第一作者）和郭玉國研究員（通訊作者）報道了通過在垂直微孔孔道中調節鋰的沉積/rongjielaidedaowendingdelijinshufuji，jineryizhilizhijingdeshengchang。tamenxitongfenxileduokongtongjiliutijiegoucanshuduidianliumidufenbudeyingxiangyijilizaibutongchicundeduokongtongjiliutineidexingmaoyanhua。tongguoCOMSOL Multiphysics理li論lun模mo擬ni
，發fa現xian尖jian端duan效xiao應ying導dao致zhi鋰li在zai微wei孔kong道dao壁bi內nei的de優you先xian沉chen積ji，相xiang比bi平ping板ban銅tong
，他ta們men設she計ji的de集ji流liu體ti具ju有you較jiao大da的de比bi表biao麵mian積ji和he孔kong體ti積ji，有you效xiao減jian少shao了le金jin屬shu鋰li在zai集ji流liu體ti表biao麵mian的de沉chen積ji，進jin而er抑yi製zhi了le鋰li枝zhi晶jing的de生sheng長chang。研yan究jiu發fa現xian

，具ju有you多duo孔kong銅tong集ji流liu體ti的de鋰li負fu極ji，具ju有you較jiao高gao的de循xun環huan穩wen定ding性xing
，200圈內平均庫倫效率約98.5％。此外，基於此種集流體所組裝的LiFePO4/Li全電池表現出優異的倍率性能和穩定的循環性能。相關成果以題為“Stable Li Metal Anodes via Regulating Lithium Plating/Stripping in Vertically Aligned Microchannels”發表在了Advanced Materials上。

 

 

圖1.多孔銅集流體示意圖及模擬計算分析

 

a）設計的多孔銅集流體示意圖

b-d）多孔銅集流體上表麵的電流密度分布模擬結果，圖中標尺為10 μm。

e）鋰優先沉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表麵SEM圖

g，i，k，m）具有不同孔半徑的多孔銅的斷麵SEM圖

 

圖2.鋰在不同孔半徑的銅集流體上沉積形貌的演變

 

a-d）半徑分別為5 μm，7.5 μm
，10 μm及15 μm的多孔銅集流體上沉積鋰的SEM圖

e）在平板銅上沉積鋰的SEM圖

f）Li沉積在不同孔尺寸集流體內的過電勢比較

 

圖3.鋰沉積在多孔銅集流體的EPMA圖及SEM斷麵圖

 

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

e，f）在多孔Cu-5-50-12上鋰沉積物的SEM斷麵圖

 

圖4.性能分析

 

a）使用不同孔半徑的多孔銅集流體時，對稱電池的循環性能

b）鋰沉積在平板銅及多孔Cu-5-50-12時的循環穩定性能及庫倫效率

c）鋰沉積在多孔Cu-7.5-50-17、Cu-10-50-22、Cu-15-50-32時的循環穩定性能及庫倫效率

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

e）不同循環圈數下，鋰沉積在平板銅及多孔Cu-5-50-12上EIS圖

 

圖5.與磷酸鐵鋰（LFP）組成電池後循環性能及倍率性能分析

 

a，b分別以多孔Cu-5-50-12 a)和平板銅b)為集流體的鋰負極，與磷酸鐵鋰組成電池後，不同循環圈數時的電化學性能

c）平板銅和多孔銅為集流體時，Li / LFP電池的循環性能比較

d）平板銅和多孔銅為集流體時，Li / LFP電池的倍率性能比較

 

 

該團隊設計了具有尖端效應的垂直微孔孔道結構以抑製Li枝zhi晶jing的de生sheng長chang。多duo孔kong銅tong的de幾ji何he形xing狀zhuang及ji結jie構gou參can數shu顯xian著zhu影ying響xiang電dian流liu密mi度du分fen布bu，沉chen積ji鋰li的de形xing貌mao及ji其qi在zai半ban電dian池chi和he全quan電dian池chi中zhong的de電dian化hua學xue性xing能neng。研yan究jiu結jie果guo表biao明ming，具ju有you垂chui直zhi排pai列lie的de銅tong微wei孔kong孔kong道dao結jie構gou為wei安an全quan的de鋰li負fu極ji設she計ji提ti供gong了le一yi個ge可ke行xing性xing的de選xuan擇ze。