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體積能量密度是鋰金屬電池(LMBs)的一個關鍵但容易被忽視的指標。

中科院物理所索鎏敏等考慮到必須嚴格限制過量的鋰以實現有競爭力的能量密度，提出將無負極LMBs (AF-LMBs)（以裸銅箔作為負極集流體）用于高體積密度電池。

圖1 LMB實際應用面臨的挑戰

與重量能量密度相比，LMBs的體積能量密度(VED)對負極/正極(A/C)比更為敏感，這是因為鋰金屬的密度較低，并且鋰金屬負極在循環過程中因粉碎而體積膨脹。無負極LMBs（AF-LMBs）由于沒有負極和相對較低的電池膨脹，因此具有較高的理論VED。

由于鋰的沉積高度依賴于母基板，在循環過程中，銅（Cu）基板上的鋰沉積比鋰基板上更可逆且致密，因此，采用裸銅箔作為負極集流體構建無負極 LMBs (AF-LMBs)有利于保持高容量和高的鋰利用率。

圖2 銅和鋰基板上的鋰利用效率

總之，AF-LMBs在循環過程中具有高初始VED和低體積膨脹，從而促使高VED。首先，AF-LMBs中的無鋰金屬負極設計表現出比LMBs（846 Wh L^-1）高得多的 VED（975 Wh L^-1）。其次，AF-LMB中的鋰沉積比LMBs中的更密集，從而可確保循環期間的高VED。第三，Cu基板上的Li利用率比Li基板上更高，Li成核更均勻，生長更密集，這可有效防止SEI和死Li形成導致的不可逆Li損失。

最后，AF-LMBs具有低體積膨脹，并且不會出現LMBs中連續粉碎的鋰箔，這有利于維持VED。基于這些結果，AF-LMBs有望用于高能電池的進一步發展。

圖3 LMB和AF-LMB在100%充電階段(SOC)的VED

A Better Choice to Achieve High Volumetric Energy Density: Anode-Free Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202110323

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物理所索鎏敏AM：實現高體積能量密度的更好選擇-無負極鋰金屬電池

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