物理所索鎏敏AM：实现高体积能量密度的更好选择-无负极锂金属电池

体积能量密度是锂金属电池(LMBs)的一个关键但容易被忽视的指标。

中科院物理所索鎏敏等考虑到必须严格限制过量的锂以实现有竞争力的能量密度，提出将无负极LMBs (AF-LMBs)（以裸铜箔作为负极集流体）用于高体积密度电池。

图1 LMB实际应用面临的挑战

与重量能量密度相比，LMBs的体积能量密度(VED)对负极/正极(A/C)比更为敏感，这是因为锂金属的密度较低，并且锂金属负极在循环过程中因粉碎而体积膨胀。无负极LMBs（AF-LMBs）由于没有负极和相对较低的电池膨胀，因此具有较高的理论VED。

由于锂的沉积高度依赖于母基板，在循环过程中，铜（Cu）基板上的锂沉积比锂基板上更可逆且致密，因此，采用裸铜箔作为负极集流体构建无负极 LMBs (AF-LMBs)有利于保持高容量和高的锂利用率。

图2 铜和锂基板上的锂利用效率

总之，AF-LMBs在循环过程中具有高初始VED和低体积膨胀，从而促使高VED。首先，AF-LMBs中的无锂金属负极设计表现出比LMBs（846 Wh L^-1）高得多的 VED（975 Wh L^-1）。其次，AF-LMB中的锂沉积比LMBs中的更密集，从而可确保循环期间的高VED。第三，Cu基板上的Li利用率比Li基板上更高，Li成核更均匀，生长更密集，这可有效防止SEI和死Li形成导致的不可逆Li损失。

最后，AF-LMBs具有低体积膨胀，并且不会出现LMBs中连续粉碎的锂箔，这有利于维持VED。基于这些结果，AF-LMBs有望用于高能电池的进一步发展。

图3 LMB和AF-LMB在100%充电阶段(SOC)的VED

A Better Choice to Achieve High Volumetric Energy Density: Anode-Free Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202110323

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