15μm厚的锂金属电池负极，胡良兵解决锂加工难题，商业化未来可期！

时间:2021-02-16 16:54来源:锂电前沿作者:WPGLYGH

点击: 次

由于锂金属具有较高的比容量和较低的氧化还原电位，因此极有希望成为最终的负极选择。然而，将金属锂加工成具有高电化学性能和良好安全性的薄膜负极以匹配商业正极仍然是一个挑战。做锂负极研究的人都知道，现在商业可买到的锂都是很厚的，一般都是200-400微米厚，在当前的电池研究中来说是大大过量的。要实现锂金属电池商业化的话，必须将其做薄！

美国马里兰大学胡良兵教授在Advanced Materials上发表了其最新突破文章Stamping Flexible Li Alloy Anodes。

本文报道了一种直接冲压金属溶液在多种基底上制备各种形状的超薄、柔性和高性能Li-Sn合金负极的新方法。印刷的负极薄至15 µm，对应的面积容量≈3 mAh cm^-2，与大多数商业正极材料相匹配。Sn的加入为Li提供了形核中心，从而缓解了Li枝晶，并降低Li剥离/沉积过程中的过电位(0.25 mA cm^-2下<10mV)。

作为概念验证，使用超薄Li-Sn合金负极和商用NMC正极的柔性锂离子电池即使在反复变形后也表现出良好的电化学性能和可靠的电池运行。该方法可以推广到其他金属/合金负极，如Na、K和Mg。这项研究为下一代电池的高性能超薄合金负极的发展打开了一扇新的大门。

图文导读

图1 冲压工艺示意图

将锂箔在不锈钢壳内熔化，在200℃的热板上加热。作者尝试了Sn含量在1 wt%、1 wt%和5 wt%时Li-Sn合金的行为，发现具有5 wt% Sn的Li-Sn合金可以完全分散在铜箔上。将铜制作的邮戳浸入墨板(含熔融Li-Sn合金的不锈钢外壳)中，涂上一层薄薄的Li-Sn合金。涂有熔融合金的邮戳被转印到铜箔上，几秒钟后，就在铜箔上得到超薄Li-Sn合金。从图1中可以看出，这种合金与铜箔具有很好的亲和性。

图2 利用邮戳法制作不同形状的锂以及在不同基底上的可用性

从图2可以看到，这种邮戳法具有非常大的优势，可以很方便地将锂制作成不同的形状（图2a），与不锈钢、钛箔、玻璃、铜箔、聚酰亚胺薄膜都有很好的亲和性。SEM测试其厚度，可以看到厚度约为15微米（图2b）。在印刷工艺中，润湿性和粘接强度都是达到均匀厚度和良好机械强度的重要因素。因此，对Li-Sn合金与基体之间的附着力进行了评价。首先将胶带黏在含有Li-Sn合金的不同衬底上，然后使用50g负载将其缓慢拉伸(图2c)。当胶带完全从基板上剥离后，没有看到到Li-Sn合金剥落，说明合金与基底之间的附着力很强，可以应对恶劣的机械变形。

图3 用锂箔和Li-Sn各自组成的对称电池的性能对比

然后将铜箔衬底上的Li-Sn合金作为锂离子电池的负极进行测试，并与商用锂箔负极进行比较。众所周知，锂基负极在重复电镀/剥离过程中，由于枝晶生长，其安全性问题阻碍了实际应用。为了更好地理解这个问题，首先测试了厚度约为300 µm的原始锂箔负极(图3a)。可以看出，在充电过程中沉积的Li在特定位点生长（图3b,c)，所以这部分的锂会有很大的体积膨胀，副反应增多，导致界面阻抗变大（图3j）。而Li-Sn合金电极不仅沉积过电势低，锂沉积还更加均匀，经历的体积膨胀更小，循环后的阻抗也变化不大。

图4 印刷Li-Sn合金负极与工业锂箔负极的实际应用比较

之后，作者在全电池中展示这种合金负极的实用性，可以看到，Li-Sn合金电池可以耐住穿刺的测试（图4b）和柔性测试（图4f），并且循环性能也不错（图4d,e），这种负极因为厚度降低，成本也指数级地降低。图4g提出了大规模生产印刷Li-Sn合金负极的卷对卷制造工艺。

总结展望

总之，作者展示了一种用于制备柔性超薄Li-Sn合金负极的冲压打印技术。使用冲压印刷工艺可以在许多基材上获得各种负极图案。Sn的掺入是抑制Li枝晶并促进Li成核的关键，因而具有较好的安全性能和较低的过电位。电化学表征证实了超薄Li-Sn合金负极的优越性能优于商用锂箔负极。此外，在实际的全电池配置中，采用印有超薄Li-Sn合金负极和商用NMC正极，可以获得良好的稳定性、高能量密度和最重要的理想的柔韧性。印制的Li-Sn合金负极成功地经受了多次变形和滥用，显示出在可穿戴电子设备应用方面的巨大潜力。冲压技术可以很容易地与可扩展负极制造的卷对卷工艺集成。本研究为超薄高性能材料的实际加工开辟了一条新途径。

文献信息

Stamping Flexible Li Alloy Anodes，Adv. Mater. 2021, 2005305.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202005305

(责任编辑：子蕊)

文章标签：锂金属电池电池负极

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