近日，课题组研究生在Electrochimica Acta期刊发表“Electrodeposited 3D Lithiophilic Ni Microvia Host for Long Cycling Li Metal Anode at High Current Density”研究论文。该工作以一步氢气泡动力模板法制备了亲锂镍孔集流体，抑制了锂金属负极表面的枝晶生长，实现了锂金属负极在大电流密度下的稳定长循环。

锂金属电池以锂金属为电池负极，具有高理论比容量（3860 mA h g^-1）、低电极电位（-3.04 V相对于标准氢电极）及低密度（0.59 g cm^-3）。随着人们对高密度、小体积可充电二次电池需求的提高，围绕锂金属电池的研究日益增多。在其应用进程中，金属负极表面的枝晶生长是阻碍该电池产业化的关键原因。三维基底结构得益于大比表面积对局部电流密度的有效降低在抑制枝晶生长方面引起了广泛关注，不过现有的泡沫结构、网结构、纳米阵列修饰等对集流体表面平整度的牺牲过大，产生的内应力更易导致枝晶生长。相反，集流体表面的绝对平坦化设计趋于理想，使其在负极容量上对电池性能提升造成了制约。

图1 三维镍孔集流体制备过程示意图

本研究工作提出了采用氢气泡动力模板法一步制备兼具大比表面积和无孔区域低粗糙度的镍孔结构作为锂金属电池负极集流体，通过调节电沉积工艺实现了三维结构和表面金属相的成分调控，制备方法简便。实验中通过控制电镀电流密度为3 A cm^-2，电镀时间为60 s，电镀温度为30 ℃，在pH值为~6的条件下，实现了表面孔隙率为3.77%、无孔区域表面粗糙度为135.33 nm的集流体结构性能优化，并在其表面原位生成了Ni(OH)₂亲锂层。同时，我们考虑了孔口处的曲率半径对锂沉积过程的影响，指出大曲率半径对孔口处电场分布尖端效应的弱化，进一步提升镍孔结构在缓解负极体积膨胀中的作用。

图2 三维镍孔集流体在锂金属负极中的性能提升

将该集流体应用于锂金属负极，在上述多重结构优势及表面成分优化的共同作用下，可有效降低锂金属的形核电位，提升库伦效率并降低极化电压，从而提升对称电池的循环寿命。如图2所示，在10 mA cm^-2的大电流密度下，采用该三维镍孔集流体的对称电池可以循环830次以上，这说明了该锂金属负极在快速充放电条件下的长循环稳定性得以实现。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468622019533

论文的第一作者是上海交通大学中英国际低碳学院2020级硕士研究生杨亚鑫。