【研究背景】

金属锂由于其很高的理论比容量、低电势及轻质量被认为是极具潜力的下一代电池负极材料。然而，金属锂在电化学沉积、循环过程中存在不少问题，特别是金属锂与应用最为广泛的碳酸酯类电解液热力学不匹配，金属锂表面易形成不稳定的SEI膜，加速锂枝晶生长与界面副反应，尤其在高倍率和高面容量下失效更为严重。因此，开发锂负极的保护技术、实现锂负极在商用碳酸酯电解液中的安全高效循环是当前行业发展的一大挑战。

【本文要点】

要点一：分级结构复合锂负极

垂直排列的TiO₂-PVP阵列卷绕锂箔形成具有交替Li和TiO₂-PVP的分级结构。TiO₂-PVP阵列之间微米级的间距可承载金属锂在充放电过程中的体积变化，TiO₂-PVP纤维之间1-2 mm低曲率孔道为锂离子传导提供了快速通道，TiO₂-PVP纤维表面的纳米级TiO₂具有亲锂性，有助于金属锂的成核与沉积。

要点二：碳酸酯电解液中高倍率循环稳定性

在高倍率充放电过程中，Li⁺的扩散速率是锂沉积形貌的决定因素。TiO₂-PVP纤维形成的垂直孔道缩短了Li⁺的扩散路径，使得更多的Li⁺可以在较短时间内传导到电极内部，促进了金属锂的均匀沉积，抑制了锂枝晶的生长，降低了隔膜穿刺的风险。金属锂对称电池在12 mA cm^-2的高倍率和6 mAh cm^-2的高面容量下可以稳定循环75圈。该复合锂负极与磷酸铁锂、硫及高镍三元正极匹配，均表现出优异的倍率性能与循环稳定性。

要点三：超声波对电池产气的无损检测

利用超声波在不同介质间透射率的差异，将超声波与可视化成像技术结合，以不同颜色进行成像来分析电池内部的产气情况。超声波信号在液体和固体中的阻抗远超过在气体中的阻抗，因此当超声波穿过气-液界面或气-固界面会产生强烈的反射与散射并造成严重的信号衰减，所以，超声透射成像对电池内部的产气检测有着极高的灵敏度。采用本团队在华中科技大学无锡研究院研制的电池超声扫描设备，对电池进行扫描成像分析，发现复合锂负极在循环过程中没有明显的气体产生，证明了其优异的界面稳定性。

【文章链接】

Composite lithium metal anodes with lithiophilic and low-tortuosity scaffold enabling ultrahigh currents and capacities in carbonate electrolytes

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202009961