斯坦福大学崔屹Joule：具有改进的机械和电化学循环稳定性的可伸缩锂金属负极

【引言】

可伸缩电池是可拉伸/柔性电子设备的关键组件。但是由于其常用的电活性物质（如钛酸锂）的锂Li储存能力低，通常表现出低能量密度。虽然锂（Li）金属是理想的负极材料，但是它在经历拉伸变形后，容易发生不可逆的塑性形变，进而发生断裂，因此锂金属不具有可伸缩性。并且，锂负极的不稳定的电化学性能妨碍了它的实际应用。如何同时提高材料的拉伸性能和循环稳定性是目前研究的主要困难。本文找到了一种简单的、低成本的制备方法，同时提高了这两性能，解决了这个问题。

【成果简介】

近日，美国斯坦福大学的崔屹（通讯作者）等人，首次制备出具有稳定机械和电化学性能的可拉伸Li金属负极。通过高弹性聚合物橡胶和“一体化”Li金属微域的连接组成。在拉伸时，橡胶吸收机械能，而电活性Li区域没有机械应变。而且，整个电极是通过简单地缠绕一根成本低廉的铜线制成的。与传统可拉伸“锂离子电池”不同，可伸缩的锂金属负极是开发新型可拉伸“锂金属电池”的关键步骤，有望提高可拉伸能量储存设备的能量密度。相关成果以“Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability”为题发表在Joule上。

【图文导读】

图 1 可伸缩电极的制造过程示意图

（A）铜线；

（B）铜线圈；

（C）在铜线圈上浇铸SEBS橡胶溶液；

（D）在Cu线圈的抛光面电化学沉积Li金属可以，产生可拉伸的Li金属负极；

（E）可伸缩锂负极拉伸后的示意图。

图 2 可伸缩Li负极的电化学性能和SEM图像

（A，B）在不同电流速率下，可伸缩Li电极（红色）和扁平Cu（黑色）的电化学循环性能图；

（C）在1mA cm^-2下，Li作为参比电极的Li沉积/溶解过程的电压曲线；

（D，E）可伸缩的Li负极的SEM图像。

图 3 在拉伸状态下，新型Li负极的拉伸性能和电化学性能图

（A，B）不同状态下，可伸缩电极伸缩性的光学照片；

（C）可伸缩的Li负极在未拉伸状态（黑色）和拉伸状态（60％应变，红色）的电压图；

（D）Li负极在未拉伸状态（黑色）和拉伸状态（60％应变，红色）的电化学循环性能图。

图 4 拉伸/释放机械循环下的电化学循环稳定性图

（A）在充电/放电循环期间，可伸缩的Li负极半电池的电压-时间曲线图；

（B）伸缩性Li负极的拉伸/释放光学照片；

（C）拉伸/释放循环前后，可拉伸Li负极的电压曲线对比图；

（D）在充电/放电循环期间，Li负极半电池的电压-时间曲线图。

【小结】

首次设计和制备了具有稳定电化学循环性能的新型可伸缩Li负极。基于新颖的分级二维 Cu弹簧的Li负极，将Li分割成由高弹性SEBS橡胶分隔的小微区，形成3D图案化的Li负极。这种简单的二维铜弹簧和橡胶的“一体式”整合，缓解了聚合物和金属材料之间的模量差异，使其电化学性能几乎不受机械变形的影响。这种新结构不仅提高了电极拉伸性能，而且显着提高了Li负极的循环稳定性。预计这种简单的、成本较低的制备可伸缩Li负极的方法，将促进可伸缩锂金属电池的发展，提高可拉伸/柔性电池的能量密度。

文献链接：Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability（Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.003）。

【相关文献推荐】

崔屹教授研究组一直致力于发展新型的柔性/可伸缩锂离子电池。他们从可伸缩电极材料和可伸缩整体器件两个角度进行设计，做出了一系列成果，相关文献如下：

1、A Bamboo-Inspired Nanostructure Design for Flexible, Foldable, and Twistable Energy Storage Devices.

Yongming Sun, Ryan B. Sills, Xianluo Hu, Zhi Wei Seh, Xu Xiao, Henghui Xu, Wei Luo, Huanyu Jin, Ying Xin, Tianqi Li, Zhaoliang Zhang, Jun Zhou, Wei Cai, Yunhui Huang, Yi Cui. Nano Letters, 2015, 15, 3899-3906.

2、A Stretchable Graphitic Carbon/Si Anode Enabled by Conformal Coating of a Self‐Healing Elastic Polymer.

Yongming Sun, Jeffrey Lopez, Hyun‐Wook Lee, Nian Liu, Guangyuan Zheng, Chun‐Lan Wu, Jie Sun, Wei Liu, Jong Won Chung, Zhenan Bao, Yi Cui. Advanced Materials, 2016, 28, 2415-2461.

3、D Porous Sponge‐Inspired Electrode for Stretchable Lithium‐Ion Batteries.

Wei Liu, Zheng Chen, Guangmin Zhou, Yongming Sun, Hye Ryoung    Lee, Chong Liu, Hongbin Yao, Zhenan Bao, Yi Cui. Advanced Materials, 2016, 28, 3578-3583.

4、Stretchable Lithium-Ion Batteries Enabled by Device-Scaled Wavy Structure and Elastic-Sticky Separator.

Wei Liu, Jun Chen, Zheng Chen, Kai Liu, Guangmin Zhou, Yongming Sun, Min-Sang Song, Zhenan Bao, Yi Cui. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701076.

5、Flexible And Stretchable Energy Storages: Recent Advances And Future Perspectives.

Wei Liu, Min-Sang Song, Biao Kong, Yi Cui. Adv. Mater. 2017, 29, 1603436

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