【研究背景】

在各种的储能技术和电化学存储系统中，锂(Li)和钠(Na)离子电池已被公认为是高效、可靠和可行的选择。然而在电动汽车、储能电站等许多应用领域，其能量密度仍然不足。为了增加能量密度，锂和钠金属阳极电池已经被开发，并期望在实际应用中提供更高的能量密度。然而, 由于锂/钠枝晶的生长会导致其性能降低, 库伦效率低(CE)、热失控、短路甚至燃烧。针对这些问题，目前提出了多种策略，包括电解液和三维集流体的改性。在开发金属阳极电池中，三维框架作为集电极的基片得到了广泛的应用。对于三维框架，由于其对枝晶生长的显著抑制作用，是因为三维骨架的大表面积和多孔结构缩短了离子扩散途径，从而促进了金属离子在整个阳极的迁移。三维多孔框架中的孔结构除了提供离子扩散的快捷方式外，还可以作为金属沉积的空隙缓冲，缓解锂或钠在沉积和剥脱过程中体积变化引起的内应力变化。因此，三维多孔框架构建的金属阳极可以在中等电流密度(< 3 mA cm-2)和面积容量(< 3 mAh cm-2)下可以实现稳定的循环性能。然而，如何在高电流密度(>5 mA cm-2)和高面积容量(>5 mA cm-2)条件下实现无枝晶金属电镀和剥离仍然是碱金属阳极面临的一大挑战。

【成果简介】

近日，上海大学张久俊院士/颜蔚副研究员课题组提出了一种利用铂改性泡沫铜（Pt-Cu foam）作为金属阳极集流体来改善锂/钠金属电池电化学性能的总体策略。与其他3D多孔集流体类似，锂枝晶和钠枝晶的生长都受到了显著抑制。最重要的是，由于Pt原子的亲锂亲钠特性，在沉积/剥离过程中，Pt-Cu foam表面会产生许多微米级的孔洞结构，从而为沉积的锂和钠提供了额外的空间，有效地缓解了沉积/剥离过程中体积变化引起的内部应力变化。因此Li@Pt-Cu foam和Na@Pt-Cu foam均在1 mA cm-2和超高面积容量(20 mAh cm-2)下均具有较长的寿命。所构建的锂/钠金属电池的优越性能揭示了Pt-Cu foam在高性能、高能量密度下一代电池中的潜在应用。

其研究成果以“Dendrite-Free Lithium and Sodium Metal Anodes with Deep Plating/Stripping Properties for Lithium and Sodium Batteries”为题，发表在Carbon Energy。