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鋰金屬負極由于其高能量密度和低電化學氧化還原電位，是新一代儲能電池最有希望的候選者。然而，鋰負極中緩慢的離子擴散和不均勻的電場阻礙了其高倍率性能和深容量的長壽命性能。

在此，中國科學院近代物理研究所段敬來教授&北京航空航天大學楊樹斌& Gu Jianan團隊采用高能重離子示蹤法制備了具有低彎曲度和超高孔隙率的高度互連的三維金屬Cu&CuAux。因此，3D金屬Cu&CuAux由于其低彎曲度和超高孔隙率，可以在Li沉積過程中高度加速Li+的轉移，并降低Li成核勢壘。

此外，有限元模擬顯示，獨特的3D Cu&CuAux結構可以高度均勻化電場和鋰離子通量，并降低鋰離子在鋰負極中的濃度梯度。結果表明，復合3D Cu&CuAux-Li負極具有超過2000 h的超高循環壽命和高倍率性能。由3D Cu&CuAux-Li負極和LiFePO₄正極組成的全電池也表現出良好的性能和高達200次循環的穩定循環壽命。

圖1. 3D銅和銅箔表面電流密度分布的模擬結果

總之，通過高能重離子追蹤法制造出了一種自支撐的、高度互連的三維金屬基體，具有低迂曲度（1.3）和超高孔率（≈81.5%）。當直接作為金屬鋰沉積的骨架時，三維金屬基體可以在鋰沉積過程中有效地重新分配電場和鋰離子流量。

此外，三維金屬基體還能降低局部電流密度和鋰成核障礙。這些均由于高孔隙率、親鋰的CuAux和增加鋰離子傳輸效率的低迂曲度。因此，復合三維Cu&CuAux-Li負極表現出超長的循環壽命，可達2160小時，并具有高的速率能力。由三維Cu&CuAux-Li負極和LiFePO₄正極組成的全電池表現出良好的循環性能，可達200次。

圖2. 電化學性能

High-Energy-Heavy-Ion Engineering Low-Tortuosity and High-Porosity 3D Metallic Electrodes for Long-Life Lithium Anodes, Advanced Energy Materials?2023 DOI:?10.1002/aenm.202300129

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AEM：高能重離子工程實現低迂曲度高孔隙率三維金屬長壽命鋰負極

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