广工大黄少铭&李艺娟AFM：基于新型三维合金负极的先进锂金属电池

由于锂金属的高容量和低电极电位，它已被公认为是最有前景的负极材料。然而，锂的高反应性、无限的体积变化以及在长期循环过程中不可控的枝晶生长严重限制了其实际应用。

图1. 材料制备及表征

广东工业大学黄少铭、李艺娟等通过简单的冶炼-轧制方法设计构建了一种新型的三维铝/镁/锂合金框架材料（记为AM-Li），以提高裸锂金属负极的电化学性能。所制备的AM-Li合金由Li相、Li₉Al₄相和Li-Mg固溶体组成。经过合金化改性，锂金属负极的空气敏感性得到了一定程度的改善，这将有助于提高材料的安全性能，降低电池组装过程中的环境严酷度。

此外，Li₉Al₄提供的三维骨架结构有利于降低局部电流密度，为容纳锂离子提供足够的空间，缓解体积膨胀效应，从而提高充放电循环中的电极稳定性。同时，DFT计算证实，Li₉Al₄和Li-Mg固溶体对于镀锂具有更强的亲锂性，有利于诱导锂离子的有序沉积，抑制锂枝晶的生长。

图2. 半电池性能

因此，对称电池（AM-Li-4|AM-Li-4）表现出低极化电压（< 20 mV）和完美的循环稳定性，在1 mA cm^-2和1 mAh cm^-2下的循环时间超过1600小时。

此外，AM-Li-4|NCM811全电池（正极负载：≈20 mg cm^-2）表现出卓越的倍率能力，最高可达5C，并在0.5C下循环100次后容量保持率高达90.8%。

因此，这项研究表明，三维合金主体的微观结构设计能够稳定锂金属负极，这可以为开发高性能和高安全性的锂金属电池提供有益的思路。

图3. 全电池性能

A Novel 3D Li/Li9Al4/Li-Mg Alloy Anode for Superior Lithium Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202213905

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广工大黄少铭&李艺娟AFM：基于新型三维合金负极的先进锂金属电池

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