由于金属锂的高理论容量和低电位，深入研究开发可实用金属锂负极不仅可以直接提升电池能量密度，还可启用大容量无锂正极材料的应用，如空气和硫正极等。目前金属锂负极的主要问题在宏观上表现为实际工作时库伦效率低、循环寿命短、安全性差，在微观上表现为“死锂”和“锂枝晶”的出现，这归因于金属锂的副反应和锂离子的不均匀不可控沉积。

  针对金属锂沉积不均匀不可控的问题，国内外许多著名研究小组提出了多种在一定程度上行之有效的方法，西安交通大学韩晓刚教授也在这方面进行了有益探索。最近他提出了一种或许能令人萌生启发的解决方案。如图1所示，首先在洁净的铜集流体（Cu）上静电喷涂约2微米的聚酰亚胺（PI）纳米颗粒密堆层，然后在该PI密堆层上静电纺丝约1微米的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维紧固层。设计PI密堆层从电解液中吸附锂离子直至饱和；沉积时，吸附的锂离子在电场作用下，顺势穿过PI颗粒间隙，均匀涌向下面的Cu集流体，得电子、成核、沉积；而PI层内的锂离子通过吸附从电解液得到补充。这样，锂离子经PI密堆层的诱导得到均匀稳定沉积。PAN紧固层是为了加强PI密堆层的牢固性，防止PI纳米颗粒散落。

图1. PAN/PI/Cu电极构造示意图

  上述设计预期得到了实验验证。图2中曲线数据显示了PAN/PI/Cu与金属锂片组成对称电池（起始时一极无锂）的锂离子沉积/剥离的循环测试结果。可以看出，相对于裸铜电极以及只有PI纳米颗粒喷涂的Cu电极，设计电极在1 mA/cm²，1 mAh/cm²和2 mA/cm²，2 mAh/cm²都表现出了稳定的循环性。图2中扫描电子显微镜照片从微观上显示金属锂的均匀沉积形貌，以及剥离后清晰的电极结构。基于密度泛函理论的模拟计算也证实了PI对锂离子存在明显的吸附作用。

图2. 设计金属锂电极的沉积/剥离的循环性测试及其相应SEM图像

  该工作发表在新一期的J. Mater. Chem. A，由西安交通大学韩晓刚教授课题组完成，第一和共同第一作者分别是助理研究员沈飞博士和硕士生王凯铭。

  论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta13678a#!divAbstract