近日，电子科技大学材料与能源学院2020级博士研究生王子豪在Science伙伴期刊Research上发表题为“Li-Ca Alloy Composite Anode with Ant-Nest-Like Lithiophilic Channels in Carbon Cloth Enabling High-Performance Li Metal Batteries”的研究论文。王子豪为该论文的第一作者，其导师李晶泽教授为该论文的唯一通讯作者，电子科技大学材料与能源学院为第一作者单位。
锂（Li）金属由于其超高的理论比容量（3860 mA h g-1）和最低的还原电位（与标准氢电极相比为-3.04 V）而被认为是下一代高能量密度电池的最佳负极材料。然而，锂枝晶的生长及充放电过程中锂负极周期性的巨大体积变化阻碍了其实际应用。使用热灌装的方式将熔融金属Li浸入3D碳基骨架是提高Li金属负极循环寿命和稳定性的有效策略。然而，液态Li由于具有高表面张力，导致与碳材料的润湿性差，阻碍了熔融液态Li扩散到碳基骨架内部。因此，降低液态Li的表面张力以增强其浸润性对于制造高性能的Li复合负极材料至关重要。此外，碳基材料的Li成核过电位偏高，导致其对Li的沉积行为调制能力较差，难以实现令人满意的性能。
图1. 形貌结构表征与锂电镀/剥离机制研究。（a,b）400℃下熔融Li与熔融Li-Ca在碳布上填充过程的光学照片比较。（c）复合电极原始形貌。（d,e）锂沉积机制示意图。（f）锂电镀/剥离行为扫描电镜照片。
为此，电子科技大学李晶泽教授团队通过将金属钙（Ca）掺杂到熔融Li中形成Li-Ca合金，大幅降低液态Li的表面张力，再热灌装至碳布内形成新型锂合金复合负极。经过实验和表征发现，Ca和Li之间的结合增强了合金的润湿性，加快熔融Li向碳布的扩散速度。进一步深入研究后，作者发现，富锂Li-Ca合金形成由CaLi2相互连接而成的蚁穴状微孔结构，作为二次微纳网络均匀分布在碳布中，为锂成核提供更大的比表面积和更低的局部电流密度，Li优先在CaLi2合金骨架上成核并生长，进而均匀地填充蚁穴状网络的内部空间，然后逐渐延伸到负极表面上，提高了锂成核与沉积的均匀性（图1）。最后在对称电池与全电池测试中均展现出优异的循环性能（图2）。这项工作开发了一种具有优异电化学性能的Li-Ca合金复合负极材料。制备方法简便，易于生产，在下一代高能量密度锂金属电池中具有巨大的应用潜力。
图2. LCAC的电化学性能。（a）对称电池性能和（b）阻抗对比。（c）与其他文献的性能比较。（d,e）全电池性能测试。
王子豪为电子科技大学材料与能源学院2020级博士研究生，其指导教师为李晶泽教授。王子豪的主要研究内容为锂金属负极的改性及其在能源领域的应用。迄今为止，以第一作者在Science China Materials, Chemical Engineering Journal, Research等期刊发表多篇SCI论文，以第一学生作者身份申请两项国家发明专利。
论文链接：https://doi.org/10.34133/2022/9843093
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