基于超快焦耳热策略规模化构筑合金“皮肤”层修饰的亲锂集流体
日期：
2025-02-17
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近日，我院张力教授、谷宇副研究员与材料学院韩佳甲老师合作，在锂金属负极集流体表面精准调制及其规模化制备研究中取得重要进展，相关成果以“Scalable Copper Current Collectors with Precisely Engineered Lithiophilic Alloy “Skins” for Durable Lithium Metal Batteries”为题发表于Energy & Environmental Science（DOI: 10.1039/d4ee05862c）。锂金属电池因其超高能量密度被视为最具前景的下一代储能系统。其中，基于集流体构建薄膜型锂负极或无锂负极的设计策略，能够显著提升电池的能量密度并降低制造成本，已成为锂金属电池领域的重要研究方向。然而，常规铜集流体固有的疏锂特性往往导致锂的不均匀沉积，并诱发不稳定的固态电解质界面相（SEI）的形成，严重制约负极性能，致使电池的循环寿命难以满足实际应用需求。目前，引入亲锂修饰层以增强集流体表面亲锂性是提升锂金属负极界面稳定性的有效途径，但现有改性层普遍存在机械强度不足、界面结合力较弱、制备工艺复杂且成本偏高等瓶颈问题，难以实现规模化应用。因此，如何设计先进的策略实现可大规模生产的高亲锂性集流体是未来锂金属电池发展的关键。为此，研究团队设计和开发了一种两步超快高温焦耳热新方法，成功实现了具有亲锂性Cu-Zn合金“皮肤”层集流体的规模化制备。该方法首先通过低功率加热在铜集流体表面原位生成Cu5Zn8金属间化合物，然后利用高功率脉冲加热将其转化为纳米级厚度的Cu0.64Zn0.36亲锂“皮肤”层。这种简便高效的制备工艺展现出优异的连续化生产潜力。通过系统的原位/非原位表征结合理论计算研究表明，所构建的Cu0.64Zn0.36亲锂层能够有效促进锂离子均匀输运，显著降低锂成核势垒，并大幅提升对锂的润湿性。基于该亲锂层修饰的Cu集流体（Cu@Cu0.64Zn0.36）在Li||Cu半电池体系中表现出优异的库伦效率，与LFP、NCM90等正极材料匹配的全电池也展现出优越的循环稳定性。值得注意的是，该方法具有良好的普适性，可扩展应用于多种Cu-M（M为Sn、Ag、Al、Mg等）合金层的可控制备，为构建高性能亲锂集流体提供了一种简便、高效的通用策略。这项研究不仅为下一代高能量密度锂金属电池集流体的规模化制备提供了切实可行的解决方案，同时也为其它碱金属电池体系及功能电极材料的结构优化与性能提升开辟了新的研究思路。该研究工作由张力教授、谷宇副研究员和韩佳甲老师共同指导完成， 2024级博士生王慧群和2022级硕士毛宇祥为共同第一作者。同时，该工作得到了毛秉伟教授和李剑锋教授的指导和斧正。研究工作得到国家自然科学基金（92372101、52122211、22301106、92472203、21875155)）、中央高校基本科研业务费（20720220010）、国家重点研发计划（2021YFA1201502）、福建省产学研联合创新项目（2023H6029）、福建省自然科学基金（2024J01038）等项目资助。https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d4ee05862c
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