近日，大连大学环境与化工学院的研究团队在高比能量密度电池材料的开发上取得了一项重要进展。该团队成功构建了一种新型的三维梯度锂亲合性骨架，极大提高了锂金属负极的循环稳定性和安全性。该成果发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

该项研究通过纳秒脉冲激光辅助沉积策略，一步制备出铜泡沫基底上的Cu-Cu3Sn-Sn-SnO2三维梯度骨架。这种结构利用Sn/SnO2与锂的反应，形成了Li22Sn5合金，显著降低了锂的成核过电位，并有效地抑制了锂枝晶的生长。此外，Cu3Sn合金层的强大结合力确保了骨架结构在锂的镀脱过程中的稳定性。该研究获得了国家自然科学基金和大连市科技发展计划的资助。

团队发现激光扫描速度显著影响涂层的形成。实验比较显示，较慢的激光扫描速度（200毫米/秒）会导致锡蒸气的聚合速率超过溅射速率，从而在基底上迅速形成大颗粒。而较快的扫描速度（300毫米/秒）则使得锡蒸气的聚合速率低于溅射速率，导致锡从基底上溅射，形成不均匀的表面。此外，中等速度（250毫米/秒）则能平衡锡蒸气的凝结与溅射，形成均匀且稳定的亲锂Sn/SnO2层，最终提升锂的镀脱性能。图1展示了不同激光扫描速度下的基底表面形态变化。

图1：不同激光扫描速度下的基底表面形态变化

 

团队通过接触角实验检测了LAD-SSC@Cu箔与电解液之间的亲和力。实验结果显示，涂有Sn/SnO2层的LAD-SSC@Cu箔的初始接触角为7.6度，而裸铜箔为18.6度，这表明Sn/SnO2层显著改善了与电解液的润湿性和吸附性，促进了电极附近Li+浓度的均匀分布。此外，熔融Li在不同集电体上的润湿行为也证明了LAD-SSC@CF的锂亲合性。与CF相比，熔融Li可以迅速被LAD-SSC@CF的孔隙吸收，显示出Sn/SnO2层增强了集电体与Li的亲和力。

为进一步探究不同集电体上的Li镀脱行为，在CF和LAD-SSC@CF上镀脱了不同面积容量的Li，然后将其剥离至0.5伏，0.5毫安每平方厘米。由于金属铜的本质疏锂性，即使Li镀层的面积容量仅为1毫安时/平方厘米，CF骨架上也可以观察到明显的树枝状Li。随着Li镀层面积容量的增加，Li树枝变得杂乱无章，大块Li聚集几乎占据了整个CF骨架，极大地增加了电极穿透隔膜并在电池内部短路的风险。此外，在Li从电极上剥离后，CF表面仍可观察到大量残留的“死Li”，表明其Li镀脱能力非常差。

相比之下，具有亲锂性的LAD-SSC@CF显示出Li的均匀镀脱行为（见图2i-p）。如图2i和j所示，当Li镀层的面积容量为1毫安时/平方厘米时，可以看到更为均匀的Li镀层。图2展示了这些现象的详细变化。

图2：在0.5毫安每平方厘米的条件下，1、3、5毫安时/平方厘米面积容量的Li镀层及其后续至0.5伏的剥离，分别在CF（图a-h）和LAD-SSC@CF（图i-p）上的扫描电子显微镜（SEM）图像

 

图3展示了在不同集电体上的Li沉积示意图。这些结果表明，LAD-SSC@CF中的亲锂性Li-Sn合金在Li剥离后仍然保留，提供了丰富的Li成核位点，促进了Li的均匀沉积，并有效抑制了Li枝晶的生长。此外，Cu3Sn合金层保持了电极的稳定结构。准梯度结构和三维骨架的协同作用进一步提高了电池在重复充放电过程中的库仑效率（CE）。

图3：在不同集电体上的Li沉积示意图

 

此项技术不仅提升了锂金属负极的使用寿命和安全性，还为未来高能量密度电池的商业应用铺平了道路。大连大学的这一突破性研究，将对可持续发展的下一代绿色安全能源存储系统产生深远的影响。

 

论文网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202303319

DOI: 10.1002/adfm.202303319

 

附第一作者简介：

惠宇 2004年毕业于沈阳工业大学，获学士学位；2007年毕业于沈阳工业大学，获工学硕士学位；2014年毕业于东北大学，获工学博士学位。现任大连大学环境与化学工程学院化学专业教师。获第45届日内瓦国际发明奖金奖，大学生创新创业等省级金奖6项，发表专业论文6篇，其中5篇为SCI论文，1篇为EI论文，发表专利8篇，授权2篇，参与2项基金申请，预研领域基金1项，重点实验室项目1项。