2023-07-07
【内容概要】
当前以石墨为负极的第一代锂离子电池体系已经接近理论能量密度瓶颈（100~200 Wh kg-1），难以满足未来科技对高能锂电池的实际需求，而由硅基负极所引领的下一代锂离子电池技术虽一定程度上提高了锂电池的能量上限（300~400 Wh kg-1），但同样也难以满足未来电动飞机、电动舰船等装备的能量需求，需进一步开发高能锂电池技术。锂金属具有超高的理论比容量（3860 mAh g-1），以锂金属为负极的高能锂电池有望实现＞500 Wh kg-1的能量密度。然而，锂金属负极不可控枝晶粉化问题严重制约电池的安全性和循环寿命，有待发展高效的负极界面优化调控策略来解决这一关键问题。此外，为了进一步提升电池能量密度，超薄锂金属负极的制造技术同样需要突破，而现阶段工业上还难以解决超薄锂膜与集流体的界面复合问题，已报道的界面优化手段往往无法满足规模化需求并且通常需要在负极引入非活性质量和体积，阻碍电池能量密度进一步提升。
针对以上关键问题，团队博士生董秋江发展了一种原位非电镀的化学锡修饰策略来优化锂金属与集流体界面，仅需3~10 min的简单浸渍处理即可实现大面积（>1200 cm2）、超薄（<12 μm）、结构功能一体化的高性能锡铜复合集流体连续化制备。研究发现该界面改性策略具有良好普适性，可广泛用于多结构、多厚度铜基集流体，现已在3.5 μm超薄铜集流体、9 μm聚合物复合铜集流体以及三维结构的泡沫铜、铜网等集流体上成功验证。基于锂沉积过程中高稳定、高亲锂性Li7Sn2合金层原位生成的界面优化机制，该策略能够有效调控集流体界面锂沉积/剥离行为。进一步开发的RSN05集流体实现了优异锂电镀/剥离循环稳定性，并且在与超薄锂膜（25 μm）组装成超薄锂金属负极后能够在主流商用LFP、LCO、NCM811正极体系中实现全电池寿命提升20~30%。此外，RSN05集流体在软包电池中的性能优化作用也得到了进一步验证。
本工作所发展的原位非电镀化学锡修饰策略和所开发的RSN05集流体有望促进高性能锂金属电池负极集流体发展，加速锂金属电池的实际应用。相关研究成果以“Rapid synthesis of large-area and integrated anode current collector via electroless in-situ Sn modification strategy for lithium metal batteries”为题发表在Chemical Engineering Journal上，指导教师为胡文彬教授与韩晓鹏教授。
【文章要点】
1. 对商用铜基集流体普适化的原位非电镀化学锡修饰策略。
2. 制备了大面积（>1200 cm2）、超薄（<12 μm）、结构功能一体化的高性能锡铜复合集流体（RSN05），提升商用LFP、NCM811、LCO正极锂金属全电池寿命20%~30%。。
3. 阐明了基于高稳定高亲锂性Li7Sn2合金层原位生成的集流体界面优化机制。
4. 验证了RSN05集流体在LFP软包电池中的性能提升作用。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144483
