AEM：高能重离子工程实现低迂曲度高孔隙率三维金属长寿命锂负极

锂金属负极由于其高能量密度和低电化学氧化还原电位，是新一代储能电池最有希望的候选者。然而，锂负极中缓慢的离子扩散和不均匀的电场阻碍了其高倍率性能和深容量的长寿命性能。

在此，中国科学院近代物理研究所段敬来教授&北京航空航天大学杨树斌& Gu Jianan团队采用高能重离子示踪法制备了具有低弯曲度和超高孔隙率的高度互连的三维金属Cu&CuAux。因此，3D金属Cu&CuAux由于其低弯曲度和超高孔隙率，可以在Li沉积过程中高度加速Li+的转移，并降低Li成核势垒。

此外，有限元模拟显示，独特的3D Cu&CuAux结构可以高度均匀化电场和锂离子通量，并降低锂离子在锂负极中的浓度梯度。结果表明，复合3D Cu&CuAux-Li负极具有超过2000 h的超高循环寿命和高倍率性能。由3D Cu&CuAux-Li负极和LiFePO₄正极组成的全电池也表现出良好的性能和高达200次循环的稳定循环寿命。

图1. 3D铜和铜箔表面电流密度分布的模拟结果

总之，通过高能重离子追踪法制造出了一种自支撑的、高度互连的三维金属基体，具有低迂曲度（1.3）和超高孔率（≈81.5%）。当直接作为金属锂沉积的骨架时，三维金属基体可以在锂沉积过程中有效地重新分配电场和锂离子流量。

此外，三维金属基体还能降低局部电流密度和锂成核障碍。这些均由于高孔隙率、亲锂的CuAux和增加锂离子传输效率的低迂曲度。因此，复合三维Cu&CuAux-Li负极表现出超长的循环寿命，可达2160小时，并具有高的速率能力。由三维Cu&CuAux-Li负极和LiFePO₄正极组成的全电池表现出良好的循环性能，可达200次。

图2. 电化学性能

High-Energy-Heavy-Ion Engineering Low-Tortuosity and High-Porosity 3D Metallic Electrodes for Long-Life Lithium Anodes, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202300129

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AEM：高能重离子工程实现低迂曲度高孔隙率三维金属长寿命锂负极

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