金属锂具有高理论比容量和低氧化还原电位,被认为是高能量密度二次电池最理想的负极材料之一,但其在循环过程中的枝晶生长和体积变化易造成电池失效和安全隐患.以孔径为 5 μm 左右的自制三维多孔铜为基底,在其表面电沉积锌层(3D Cu@Zn),作为金属锂沉积的集流体,构筑无枝晶锂金属电极.三维多孔铜的孔结构稳定,孔径大小适宜,可有效降低局部电流密度和缓解体积变化.锌镀层可降低锂金属的形核过电位,诱导锂的均匀沉积,有效抑制锂枝晶生长.以 3D Cu@Zn 为集流体,锂沉积面积容量为 4 m Ah·cm^(-2),电极表面仍无枝晶出现,经过锂剥离后表面仍然光滑;而铜箔上沉积的锂显示明显的枝晶和不均匀性,3D Cu 上沉积的锂显示局部不均匀性和一定量枝晶.在电流密度为 0.5 和 1m A·cm^(-2),面积容量为 1 m Ah·cm^(-2)条件下,Li||3D Cu@Zn 半电池获得了稳定的库伦效率;在 2 m A·cm^(-2)的高电流密度和 1 m Ah·cm^(-2)的面积容量条件下,Li||3D Cu@Zn@Li 对称电池可稳定循环 700 h 以上;以 3D Cu@Zn@Li 为负极,Li Fe PO_(4)为正极的全电池,在 1 C 倍率下,经过 150 次循环后仍保持 88 m Ah·g^(-1)的容量,均明显优于 Cu 片和 3D Cu 作为集流体的锂金属电极.
以聚苯乙烯(PS)胶晶作为铸模,采用纳米铸造工艺及后续煅烧的方法合成了三维有序大孔Fe_2SiO_4/SiO_2@C纳米玻璃陶瓷锂离子电池负极材料。溶胶-凝胶工艺产生的凝胶在650℃氩气氛炉中煅烧后,Fe_2SiO_4纳米晶体从含铁元素的SiO_2基玻璃中结晶析出,形成由Fe_2SiO_4纳米晶体、铁离子(Fe3+)修饰的玻璃态SiO_2和非晶碳组成的三维有序大孔纳米玻璃陶瓷。在50 m A·g^(-1)电流密度下进行充放电时,其放电容量可达450 m Ah·g^(-1)以上,电流密度增加到250 m A·g^(-1)时可逆放电容量仍旧稳定地保持在260 m Ah·g^(-1),而具有同样有序大孔结构和含碳量的非晶态SiO_2@C材料的放电比容量在50 m A·g^(-1)电流密度时仅为15 m Ah·g^(-1)。这些结果表明,Fe_2SiO_4纳米晶体及Fe^(3+)有助于SiO_2基玻璃陶瓷实现可逆储锂过程。
