本网讯 中南大学粉末冶金国家重点实验室陈立宝教授团队在高比能锂金属负极的稳定方面开展深入研究取得系列重要研究进展。相关研究成果发表于国际材料领域权威期刊ACS Energy Letters、Advanced Science、Journal of Materials Chemistry A 上。

锂金属具有极高的理论比容量（3860 mA h g^-1），最低的电极电势（-3.04 V）和低的密度（0.59 g cm^-3），是最具潜力的下一代高能量密度锂电池负极材料。然而循环过程中不可控的锂枝晶生长和巨大的体积变化，导致锂金属负极库伦效率低、循环性能差，甚至带来安全隐患，严重阻碍了锂金属负极的实际应用。

团队与中科院青岛能源所的孙富研究员合作，采用无损原位同步辐射X射线三维断层扫描成像技术直接观测了Li-Al合金、聚合物涂覆的锂负极和AAO膜保护的锂负极在充放电过程中的微观结构衍化过程，发现电化学循环产生的多孔微结构是锂金属基负极材料容量衰减的根本原因，阐明了锂金属基负极材料的失效机制。该研究成果以“Morphological Reversibility of Modified Li-Based Anodes for Next-Generation Batteries”发表在ACS Energy Letters（DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02424）上。

在明晰锂金属基负极材料的失效机理的基础上，团队设计了一种具有三维亲锂骨架的Mg掺杂Li-LiB合金负极，该材料在真空熔炼制备过程中原位生成了交织分布的纤维状LiB化合物骨架，LiB纤维具有优异的导电性、较高的强度和良好的亲锂性。该材料应用在锂金属电池中解决了锂枝晶生长严重、体积变化大、活性锂含量低的问题，表现出优异的循环性能和良好的安全性。该研究成果以“Mg doped Li-LiB alloy with in-situ formed Lithiophilic LiB Skeleton for Lithium Metal Batteries”为题发表在Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.201902643）上。

Mg掺杂Li-LiB合金负极的制备过程及锂溶解/沉积过程示意图

此外，团队利用水热法在二维镍基底上原位生长了六方片状的NiO阵列，以此诱导锂沉积。一方面，NiO提升了亲锂性，降低了锂沉积时的过电势；另一方面，六方片状的形貌提升了比表面积，降低了电流密度，使Li⁺浓度梯度小，延缓了锂枝晶的生长时间。此复合结构用作锂金属负极的集流体时，表现出了优异的电化学性能，该工作为集流体复合结构的设计提供了新的思路和方向。此工作题为“Lithiophilic NiO hexagonal plates decorated Ni collector guiding uniform lithium plating for stable lithium metal anode”于2019年9月发表在Journal of Materials Chemistry A 上（DOI：10.1039/C9TA09396F）。

以上研究得到了国家自然科学基金委联合基金重点项目（U1904216）、青年项目（51901249）和国家重点研发计划（2018YFB0104200）的支持。