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張山青/賴(lài)超AEM: CuCl2改性實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶、長(zhǎng)壽命的鋰金屬負(fù)極！

鋰金屬具有3860 mAh g^-1的超高理論比容量和最低的電化學(xué)電位，因而被認(rèn)為是可充電鋰離子電池（LIB）的低容量碳負(fù)極的理想替代品。然而，源于鋰枝晶不可控形成和生長(zhǎng)的安全問(wèn)題嚴(yán)重困擾著其實(shí)際應(yīng)用。

在此，澳大利亞格里菲斯大學(xué)張山青教授、江蘇師范大學(xué)賴(lài)超教授等人通過(guò)在鋰負(fù)極表面旋涂CuCl₂-N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液，構(gòu)建了具有動(dòng)態(tài)保護(hù)機(jī)制的多功能鋰負(fù)極保護(hù)層。CuCl₂和Li金屬之間的反應(yīng)所制備的保護(hù)層具有可變的多孔玫瑰狀納米結(jié)構(gòu)形態(tài)，由導(dǎo)電鋰銅合金和電化學(xué)活性CuCl組成。

其中鋰銅合金可以提供快速的電子傳輸路徑并促進(jìn)電荷的均勻分布，而保護(hù)層的多孔結(jié)構(gòu)保證了鋰離子的平穩(wěn)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了均勻的電鍍和剝離。有趣的是，由于CuCl的可逆氧化還原特性，其可以實(shí)現(xiàn)鋰離子的主動(dòng)存儲(chǔ)和釋放，同時(shí)不斷地改變保護(hù)層的形態(tài)。因此，這種獨(dú)特的組合協(xié)同促進(jìn)了均勻的Li⁺沉積。

圖1. CuCl₂/Li表面保護(hù)層的保護(hù)機(jī)理

研究表明，這種動(dòng)態(tài)保護(hù)機(jī)制源于參與電化學(xué)過(guò)程的氧化還原物質(zhì)CuCl，導(dǎo)致原位形成平坦的SEI膜，從而確保了鋰金屬負(fù)極在半電池和全電池配置中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。具體而言，在對(duì)稱(chēng)Li|Li電池中，改性鋰負(fù)極在1 mA cm^-2的電流密度下可穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)1500小時(shí)。由于界面保護(hù)層的溫和形成和演變，在高電流密度下在CuCl₂/Li 中檢測(cè)到更穩(wěn)定的極化。

此外，在全電池配置中，所提出的與磷酸鐵鋰（LFP）正極配對(duì)的CuCl₂/Li電極可在5C的高倍率下循環(huán)2000次后提供85.6% 的容量保持率。因此，這種通過(guò)結(jié)合電化學(xué)活性成分提出的動(dòng)態(tài)保護(hù)機(jī)制可以為制備安全和高性能的鋰金屬負(fù)極提供新的指導(dǎo)，進(jìn)一步激發(fā)安全、高性能鋰金屬負(fù)極的廣泛應(yīng)用。

圖2. 基于CuCl₂/Li負(fù)極的半/全電池性能

CuCl₂-Modified Lithium Metal Anode via Dynamic Protection Mechanisms for Dendrite-Free Long-Life Charging/Discharge Processes, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103480

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