三维（3D）亲锂集流体是调节锂金属负极中锂枝晶和体积变化的有效途径之一，然而目前最先进的集流体在高温环境下使用熔融锂注入时面临着亲锂层熔化或脱落挑战。近日，南方科技大学邓永红教授和中国科学技术大学余彦教授采用熔融锂注入策略，使用含有亲锂Zn的三维多孔CuZn合金集流体对Li进行预储存，从而制备了3D复合锂金属负极。同时结合成核过电位、结合能计算和锂沉积/剥离形貌的演变观察等一系列技术证明了Zn对Li的强吸附力作用，从而性能得到大幅度提升。相关论文以题为“Lithiophilic Zn Sites in Porous CuZn Alloy Induced Uniform Li Nucleation and Dendrite-Free Li Metal Deposition”于2020年3月9日发表在Nano Lett.上。
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00352
锂金属负极具有理论容量高（3860 mAh g-1）重量轻（0.53 g cm-2）和电化学电位低（−3.04V与标准氢电极相比）等优点，被认为是高能量密度锂离子电池的一种很有前途的负极候选材料。不幸的是，阻碍其商业化的最大障碍是：长期重复沉积/剥离过程导致不可控的锂枝晶生长和无限的体积膨胀。由此引发的后果为：枝晶穿透隔膜引发电池短路或爆炸；消耗大量锂引发库伦效率低和容量衰减快；“死锂产生”引发引发电池内部巨大体积膨胀。解决的思路为：抑制锂枝晶的生长和缓解电化学循环过程中的体积膨胀。解决的策略为：如开发电解质添加剂以提高SEI的稳定性，利用高模量电解质抑制锂枝晶渗透和设计稳定的人工SEI层等。从锂金属无“主体”的本身性质和锂枝晶形成的基本原理出发，具有丰富预储锂的3D集流体被认为是最有效的解决办法。
本文采用一种简便的脱合金法制备了具有亲锂Zn位点的三维多孔CuZn合金集流体，并采用熔融锂注入的方法对锂进行预储存，从而制备了3D复合锂负极结构。与以往报道的3D集流体框架上包覆的亲锂层不同的是，在三维多孔CuZn合金集流体合金化了亲锂的Zn，利用热输入熔融锂策略可直接置于热熔化高温环境中。拥有亲锂的Zn位点的三维多孔CuZn合金集流体，在不间断的沉积/剥离过程中，不仅可以分散Li成核和诱导均匀的Li沉积，而且还可以为金属锂的储存提供一个较大的内部间隙，从而有效地降低了电流密度，抑制了Li枝晶的生长，减轻了Li金属的体积变化。
图1.Li/CuZn复合电极的制备与表征
图2. Cu和CuZn电极的库仑效率和成核过电位
图3. 普通Li箔和Li/CuZn复合电极电化学行为的原位光学显微镜图像
图4.Li/CuZn复合电极和普通Li箔的全电池电化学性能
总之，本文成功的展现了一种具有高性能的Li/CuZn复合锂金属负极，相比于传统的锂负极，成功地调节了锂沉积的行为和抑制了锂枝晶的生长，特别强调调节Li在萌芽阶段成核的重要性。从而为构建安全无枝晶锂金属负极提供了一种新的解决方案，并对其他碱金属具有指导意义。（文：Caspar）
