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锂金属凭借其高比能量密度(3862mAh/g)和低氧化还原电位(-3.04 V vs.S.H.E)一直以来被认为是高能量密度锂电池的理想负极材料。然而锂金属二次电池的推广却很大程度上受限于(1)循环过程中锂枝晶生长引发的安全隐患;(2)锂金属表面巨大体积变化对固态电解质薄膜(SEI)撕裂,导致的锂金属和电解液直接接触、反应,该过程反复发生造成了锂源和电解液不可逆损失、极化增大、库伦效率降低、循环寿命短等一系列问题。如何调控锂金属和电解液界面稳定性和循环过程中不均匀沉积成为锂金属广泛应用过程中亟需解决的问题。 针对以上问题,本工作设计、构建了新型锂金属界面保护结构,实现了锂金属在电极和电解液界面溶解、沉积均匀化、有序化,显著提高了锂金属的循环稳定性。本工作具体内容可以分为以下两个部分: (1)集流体作为电池系统中重要组成部分,会对阳极初始锂沉积成核形成重要影响,平面集流体容易引发锂金属不均匀沉积形成锂枝晶。我们通过水热法制备了一种表面具有纳米结构的铜基无锂负极,电化学还原后在纳米结构中原位生成纳米结构加固介质。该3D纳米结构能够容纳沉积锂金属,实现了沉积锂金属空间分割,弱化了锂沉积过程体积变化对SEI膜及纳米空隙结构的影响。 (2)我们通过使用惰性孔隙结构对锂金属界面体积膨胀进行抑制,同时通过热解处理孔隙结构中的粘结剂,调控其碳化程度以及相应的力学性能,获得了一种稳定的储锂金属结构。热解粘结剂表面电化学活性有助于形成三维SEI膜,有效地稳定锂金属在孔隙结构中的沉积分解过程,实现了锂金属在电极表面沉积、溶解的有序化。 以上两种保护方法都实现了锂金属稳定的沉积、溶解及循环稳定性提升,将锂金属在强腐蚀性碳酸酯电解液中的循环效率提升至97%以上,同时分别将锂金属循环寿命有效提高到未经处理的5倍和12倍,证明了抑制界面体积膨胀有利于提升锂金属循环稳定性,为锂金属保护提供了具体的参考模型,进一步推动了锂金属在常规电解液体系中的应用。