第一作者：梁正
通訊作者：崔屹
通訊單位：斯坦福大學
研究亮點：
1. 提出了一種簡單而巧妙的構建復合鋰金屬電極的思路。
2. 通過降低局部電流密度來改善電化學性能，同時也降低了短路的可能。
鋰金屬負極的問題
鋰金屬負極由于具有相當高的比容量(3860 mAh g-1)和最低的負極電位，被譽為 “圣杯”電極。但其具有不受控制的枝晶生長和體積無限膨脹的問題，帶來的安全隱患（內部短路）和性能衰減極大地阻礙了它的應用。
微尺度鋰負極的構建
高電活性表面積會降低實際電流密度，從而減輕Li枝晶的形成，但也會引發強烈的副反應和SEI形成，造成電化學性能衰減。為了使這兩者達到平衡，目前已嘗試將電活性區域增加到微米尺度。
因此通過諸如引導成核（guided nucleation）、引導生長（guided growth）、融化注入法 (melt-infusion)等手段將鋰包入三維骨架結構從而制備微尺度復合金屬鋰電極便成為了有效的解決方法之一。
本研究擬解決的關鍵問題
然而，上述方法均需要高成本和復雜的制造程序（涉及多步納米合成法的引導成核需要預先以金納米粒子作為成核種子，Li熔注需要>200°C的高溫和安全預防措施），因此急需一種簡單有效的微尺度復合鋰電極構建策略。
成果簡介
有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授課題組提供了一個簡單而巧妙的思路，從鋰金屬獨特的物理性質切入，通過簡單的手工（卷繞-剪切），構建出一個具有三維陣列的立柱狀高性能復合金屬鋰電極。
圖1. 卷繞-剪切法制備復合鋰金屬電極的過程示意圖
要點1. 巧妙的策略
作者從金屬鋰獨特的物化性質入手，利用金屬鋰質軟及延展性強的特點，將多孔聚乙烯膜(12微米厚)與金屬鋰箔(50微米厚)裁成長寬相同的細條，仔細對齊疊放，然后卷繞成一個卷軸狀柱體，然后用刀片將柱體切為一片片厚度約一毫米左右的電極片。通過這種設計，多孔PE膜可以均勻地嵌入Li層之間，從而形成具有交替Li和多孔PE膜良好限定的層狀結構。這種簡單的卷繞-剪切(rolling-cutting)法不需要任何苛刻的實驗條件及設備。
說到這里，想到了下面這個。正所謂生活何處沒有idea，你只是缺少一雙發現idea的眼睛。
要點2. 設計原理
由于電解液可以在多孔聚乙烯膜中充分滲透，該電極片相比于普通金屬鋰片的電化學活性面積大大增加，極大的降低了實際電流密度；此外，Li箔和多孔PE膜的厚度均為微米級，與先前具有納米級導電基質的實例相比，電活性表面積和相關的副反應得到很好的控制，從而帶來了一系列電化學性能上的改善。
與此同時，金屬鋰優先選擇在鋰立柱側面沉積而非頂端表面，因此金屬鋰的沉積由原先的正常的頂部沉積變為側面沉積(side-deposition)，大大降低了電池因枝晶穿刺而造成短路的可能性。
圖2. 復合金屬鋰電極的電化學性能和電池循環性能
圖3. 復合電極循環之前與之后的立柱頂端與立柱側面形貌
小結
總之，這項工作為大家提供了一個簡單而巧妙的構建復合金屬鋰電極思路，通過簡單的手工，制備出一個具有三維陣列的立柱狀結構。該復合電極的電化學活性面積相較普通平面金屬鋰片有了極大的提高，因此改善了電池循環性能，同時也降低了短路的可能。
參考文獻
ZhengLiang, Kai Yan, Guangmin Zhou, Allen Pei, Jie Zhao, Yongming Sun, Jin Xie,Yanbin Li, Feifei Shi, Yayuan Liu, Dingchang Lin, Kai Liu, Hansen Wang, HongxiaWang, Yingying Lu, Yi Cui, Composite lithium electrode with mesoscale skeletonvia simple mechanical deformation, Science Advances, 2019.
DOI:10.1126/sciadv.aau5655
http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau5655
