摘要

锂金属负极具有最低电化学电势（-3.04 V）和超高理论比容量（3860 mAh g-1），被广泛认为是实现高能量密度储能的最理想的负极材料。使用金属锂作为负极的可充电高能锂金属电池（LMB）是打破传统锂离子电池能量密度瓶颈的最佳方案之一。但由于其活性极强以及非均匀沉积/剥离导致的体积膨胀、锂枝晶生长、死锂和非均匀SEI等问题，严重影响了电池的循环寿命以及安全性能，阻碍了锂金属电池的实际应用。针对上述问题，设计了一种具有导电-亲锂双梯度刺球状Ag@CuO异质结构负极材料，纳米级刺球结构三维堆积搭建高比表面储锂空间，通过导电-亲锂双梯度效应与物理限域诱导Li定向均匀沉积，同时形成均一富含无机成分的Li2O-rich SEI，实现了1200圈循环后Li||Ag@CuO库伦效率保持在98.89%，相应对称电池2800h稳定循环，并在1.16Ah软包电池（382Wh kg-1）中得到应用和验证。

图文解析

图1. Ag@CuO的制备、反应机理和应用示意图

与以往高温高压下的水热法相比，海胆状Ag@CuO异质结构可在常温常压下通过一步液相还原反应轻松制备，实现了纳米结构材料的快速和大规模制备。Ag@CuO呈现出海胆状核壳结构，其核为高导电性的Ag，壳为亲锂的CuO。其异质结构包括从外层到内层的导电性和亲锂性的递增梯度，从而实现了自下而上的均匀锂沉积。因此，实现了导电性和亲锂性的双重梯度。优化后的针状CuO相互交联，构成连续的三维网络结构，提供丰富的锂沉积空间，通过导电-亲锂双梯度效应与物理限域诱导Li定向均匀沉积。

图2. Ag@CuO异质结的结构&形貌表征，物相分析与证明

图3. Li||Ag@CuO半电池与Ag@CuO||Ag@CuO对称电池电化学性能

Li||Ag@CuO电池在1200次循环后仍能保持98.89%的高库仑效率；Ag@CuO||Ag@CuO电池在10.6 mV的低极化电压下，在1400次循环中表现出2800 h的长循环寿命。

图4. 不同沉积/剥离量下Ag@CuO集流体形貌图

图5. Ag@CuO全电池性能测试及软包应用

Ag@CuO阳极与主要商用正极材料LCO、NCM-811具有良好的适配性。结合NCM-811正极，制备了高容量1.16 Ah的软包电池，相应的能量密度高达382 Wh kg-1。

总结

本文采用一步液相还原反应制备了具有导电-亲锂双梯度的海胆状Ag@CuO异质结构。合金固溶化反应和转化反应独特的双亲锂机制以及富含Li2O的SEI能有效降低锂的成核过电位，并引导均匀的锂沉积/剥离过程。因此，所制备的Li||Ag@CuO电池中经过1200次循环后仍能保持98.89%的高库仑效率，而在Ag@CuO对称电池中则表现出2800 h的优异循环性能。此外，基于对锂沉积/剥离行为的有利调节，Ag@CuO阳极与主要商用正极材料具有良好的兼容性。结合NCM-811正极，制备出的软包电池容量高达1.16 Ah，相应的能量密度高达382 Wh kg-1。这种改良阳极可作为一种前景广阔的锂金属阳极，进一步推动锂金属电池的实际应用和发展。