成果簡介
可充電的無陽極金屬鋰電池（AFLMB）具有更好的能量密度和更低的成本，有利於排放峰值和碳中和。本文，哈爾濱工業大學黃永憲教授團隊在《Carbon》期刊發表名為「Cu-CNTs current collector fabricated by deformation-driven metallurgy for anode-free Li metal batteries」的論文，研究提出了通過變形驅動冶金（DDM）技術實現的多壁碳納米管增強銅基複合材料（Cu-CNT），以恢復AFLMB中集電器（CC）的親鋰性。
基於嚴重塑性變形原理，實現了具有大量晶界和斷裂CNT均勻分布的細粒Cu CNT，因為CNT抑制位錯滑動和晶界遷移。具有低尺寸分布梯度的細粒度Cu-CNT中的晶界由於其較高的無序度和活性狀態而提供了理想的成核位點。斷裂的CNT表現出優異的親鋰性，其用於鋰離子插入的層狀結構有助於均勻的鋰沉積。由Cu-CNTs CC與2 2 vol.% CNTs組裝的半電池顯示出先進的循環穩定性，在1.0 mA·cm−2下500次循環後，平均庫侖效率為97.8%。具有LiFePO4陰極的全電池在0.5℃下100次循環後具有69.4%的優異容量保持率。這項工作為製造CC提供了一種新的策略，以實現AFLMB未來應用的優異電化學性能。
圖文導讀
圖1. 製備過程的示意圖：（a）DDM方法的示意圖。(b) 銅箔和Cu-CNTs材料表面的Li沉積過程和形態的比較
圖2. Cu CC的成分和結構表徵
圖3。在DME/DOL（1:1 v/v）中，以3.0wt.%LiNO3為電解質，在1.0mA·cm−2下，使用1M LITFSI的無陽極Li||Cu半電池的電化學性能
圖4. 銅箔（a-c）、Cu-0CNTs（d-f）、Cu-2CNTs（g-i）和Cu-5CNTs（j-l）在電流密度為1.0 mA‧cm-2，以不同倍數循環3次後，鋰的成核和沉積形態的SEM圖像對比。
圖5. (a) 在1.0 mA‧cm-2的條件下，用1M LITFSI在DME/DOL（1:1 v/v）中與3.0 wt.% LiNO3作為電解質記錄的Li||Cu-2CNTs循環伏安圖。
(b) 電化學阻抗光譜（EIS）測量的等效電路。
(c) 循環後在1.0 mA‧cm-2電流密度下分別對銅箔、0CNT鋰、2CNT鋰和5CNT鋰半電池進行EIS測量。
圖6. 室溫下用1M LITFSI在DME/DOL（1:1 v/v）中以3.0wt.% LiNO3作為電解質的無陽極Cu||LFP全電池的電化學性能
小結
通過DDM提供的嚴重塑性變形，成功製造了具有穩定循環性能的Cu-CNTs CC。親鋰的CNTs均勻地分布在Cu基體中，以釘住位錯並抑制晶界的遷移。它有助於形成具有低分布梯度的細小晶粒，這有利於提供更多的Li成核點。由Cu-2CNTs組裝的半電池顯示出均勻的鋰沉積形態和出色的循環穩定性，在1.0 mA‧cm-2下循環500次後平均CE為97.8%。Cu-2CNTs||LFP的全電池在0.5℃下循環100次後表現出69.4%的出色容量保持率。
文獻：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.074