上科大刘巍Adv. Sci.：甘蔗作为载体，衍生一体化3D锂金属电池！

与传统结构的电池相比，3D电池在电化学离子传输动力学方面具有明显优势。然而，由于特殊的电极配置和制造复杂性，3D电池设计存在固有的机械稳定性问题，仅在微系统中取得成功，远非理想。

上海科技大学刘巍等设计了一种由并联微电池阵列组成的高稳定性、一体化结构的3D锂金属电池。

图1 一体式结构化LMB与传统LMB之间的比较

3D电池包括锂金属负极、液态电解液和正极材料在内的所有组件都嵌入到一个甘蔗衍生框架的微管中，形成平行的微电池阵列，不同于传统的三层锂金属电池。天然甘蔗中连续、垂直排列的微通道在整个电化学系统中提供了直接、非曲折的离子传输路径，这不仅使锂离子通量均匀化并限制了锂金属的体积波动，而且还可促进正极中的离子传输动力学。

此外，作为一种有用的框架，具有蜂窝状形态的甘蔗被证明具有高孔隙率和高机械强度，以及结构自恢复能力。良好的机械性能和断面的竹状微观结构可避免电池短路并确保其在实际使用中的稳定性。

图2 甘蔗作为多功能载体的应用

通过简单的自吸收工艺，可以直接以高面积质量负载涂覆各种正极材料，包括LiCoO₂(LCO)、LiFePO₄(LFP)和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)。值得注意的是，由于甘蔗骨架的超高孔隙率（92.5-96.8%）且强机械稳定性，器件中的非活性组分保持在低质量分数（<20 wt%）。全电池水平的快速离子传输动力学不仅可以解决负极锂枝晶的关键问题，还可以提高正极的电化学性能。

结果，所得锂金属负极在10 mA cm^-2的高电流密度下获得了1000次循环寿命的长期稳定性。并且，所得到的基于LFP的锂金属电池在1.2 mA cm^-2的电流密度下显示出10.4 mAh cm^-2的高面积能量密度，与传统电池相比，其倍率性能和循环稳定性均有所提高。

图3 全电池性能

All-in-One Structured Lithium-Metal Battery. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202200547