斯坦福大學崔屹Joule：具有改進的機械和電化學循環穩定性的可伸縮鋰金屬負極

【引言】

可伸縮電池是可拉伸/柔性電子設備的關鍵組件。但是由于其常用的電活性物質（如鈦酸鋰）的鋰Li儲存能力低，通常表現出低能量密度。雖然鋰（Li）金屬是理想的負極材料，但是它在經歷拉伸變形后，容易發生不可逆的塑性形變，進而發生斷裂，因此鋰金屬不具有可伸縮性。并且，鋰負極的不穩定的電化學性能妨礙了它的實際應用。如何同時提高材料的拉伸性能和循環穩定性是目前研究的主要困難。本文找到了一種簡單的、低成本的制備方法，同時提高了這兩性能，解決了這個問題。

【成果簡介】

近日，美國斯坦福大學的崔屹（通訊作者）等人，首次制備出具有穩定機械和電化學性能的可拉伸Li金屬負極。通過高彈性聚合物橡膠和“一體化”Li金屬微域的連接組成。在拉伸時，橡膠吸收機械能，而電活性Li區域沒有機械應變。而且，整個電極是通過簡單地纏繞一根成本低廉的銅線制成的。與傳統可拉伸“鋰離子電池”不同，可伸縮的鋰金屬負極是開發新型可拉伸“鋰金屬電池”的關鍵步驟，有望提高可拉伸能量儲存設備的能量密度。相關成果以“Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability”為題發表在Joule上。

【圖文導讀】

圖 1 可伸縮電極的制造過程示意圖

（A）銅線；

（B）銅線圈；

（C）在銅線圈上澆鑄SEBS橡膠溶液；

（D）在Cu線圈的拋光面電化學沉積Li金屬可以，產生可拉伸的Li金屬負極；

（E）可伸縮鋰負極拉伸后的示意圖。

圖 2 可伸縮Li負極的電化學性能和SEM圖像

（A，B）在不同電流速率下，可伸縮Li電極（紅色）和扁平Cu（黑色）的電化學循環性能圖；

（C）在1mA cm^-2下，Li作為參比電極的Li沉積/溶解過程的電壓曲線；

（D，E）可伸縮的Li負極的SEM圖像。

圖 3 在拉伸狀態下，新型Li負極的拉伸性能和電化學性能圖

（A，B）不同狀態下，可伸縮電極伸縮性的光學照片；

（C）可伸縮的Li負極在未拉伸狀態（黑色）和拉伸狀態（60％應變，紅色）的電壓圖；

（D）Li負極在未拉伸狀態（黑色）和拉伸狀態（60％應變，紅色）的電化學循環性能圖。

圖 4 拉伸/釋放機械循環下的電化學循環穩定性圖

（A）在充電/放電循環期間，可伸縮的Li負極半電池的電壓-時間曲線圖；

（B）伸縮性Li負極的拉伸/釋放光學照片；

（C）拉伸/釋放循環前后，可拉伸Li負極的電壓曲線對比圖；

（D）在充電/放電循環期間，Li負極半電池的電壓-時間曲線圖。

【小結】

首次設計和制備了具有穩定電化學循環性能的新型可伸縮Li負極。基于新穎的分級二維 Cu彈簧的Li負極，將Li分割成由高彈性SEBS橡膠分隔的小微區，形成3D圖案化的Li負極。這種簡單的二維銅彈簧和橡膠的“一體式”整合，緩解了聚合物和金屬材料之間的模量差異，使其電化學性能幾乎不受機械變形的影響。這種新結構不僅提高了電極拉伸性能，而且顯著提高了Li負極的循環穩定性。預計這種簡單的、成本較低的制備可伸縮Li負極的方法，將促進可伸縮鋰金屬電池的發展，提高可拉伸/柔性電池的能量密度。

文獻鏈接：Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability（Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.003）。

【相關文獻推薦】

崔屹教授研究組一直致力于發展新型的柔性/可伸縮鋰離子電池。他們從可伸縮電極材料和可伸縮整體器件兩個角度進行設計，做出了一系列成果，相關文獻如下：

1、A Bamboo-Inspired Nanostructure Design for Flexible, Foldable, and Twistable Energy Storage Devices.

Yongming Sun, Ryan B. Sills, Xianluo Hu, Zhi Wei Seh, Xu Xiao, Henghui Xu, Wei Luo, Huanyu Jin, Ying Xin, Tianqi Li, Zhaoliang Zhang, Jun Zhou, Wei Cai, Yunhui Huang, Yi Cui. Nano Letters, 2015, 15, 3899-3906.

2、A Stretchable Graphitic Carbon/Si Anode Enabled by Conformal Coating of a Self‐Healing Elastic Polymer.

Yongming Sun, Jeffrey Lopez, Hyun‐Wook Lee, Nian Liu, Guangyuan Zheng, Chun‐Lan Wu, Jie Sun, Wei Liu, Jong Won Chung, Zhenan Bao, Yi Cui. Advanced Materials, 2016, 28, 2415-2461.

3、D Porous Sponge‐Inspired Electrode for Stretchable Lithium‐Ion Batteries.

Wei Liu, Zheng Chen, Guangmin Zhou, Yongming Sun, Hye Ryoung??? Lee, Chong Liu, Hongbin Yao, Zhenan Bao, Yi Cui. Advanced Materials, 2016, 28, 3578-3583.

4、Stretchable Lithium-Ion Batteries Enabled by Device-Scaled Wavy Structure and Elastic-Sticky Separator.

Wei Liu, Jun Chen, Zheng Chen, Kai Liu, Guangmin Zhou, Yongming Sun, Min-Sang Song, Zhenan Bao, Yi Cui. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701076.

5、Flexible And Stretchable Energy Storages: Recent Advances And Future Perspectives.

Wei Liu, Min-Sang Song, Biao Kong, Yi Cui. Adv. Mater. 2017, 29, 1603436

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