【研究背景】

锂离子电池（LIBs）具有能量密度高、循环寿命长等众多优点，已在消费电子、交通运输、大规模可再生能源接入、分布式储能等领域获得了广泛应用。作为重要的储能技术之一，LIBs是我国实现国家能源结构安全/绿色转型、“碳达峰、碳中和”目标的核心支撑。然而，随着各种应用要求的不断提高，人们对于LIBs能量密度提升的需求也越加迫切。然而，高安全、高能量密度LIBs性能的提升进程仍然较为缓慢，急需从关键电极材料层面上的突破，进一步推动高安全、高能量密度LIBs的发展。

锡（Sn）箔凭借其优异的综合性能也获得广泛的关注。Sn的理论质量容量为993 mAh g-1，锂化后体积容量为2111 mAh cm-3 (Li22Sn5)。此外，锡是一种比石墨更好的电子导体，还具有优异的延展性，可机械加工成自支撑电极结构。锡箔的生产成本低，工艺成熟，安全稳定。因此，相比较其他金属，Sn箔负极展现出了更实用且更有潜力的优势。尽管Sn箔负极有望在开发低成本、更高质量/体积比能量LIBs领域实现突破。然而，与粉体负极材料相比，Sn箔平面内的快速嵌锂位点极其有限，导致嵌锂动力学非常缓慢，同时，有限的锂离子快速迁移通道导致局部锂化引起的应力集中、材料粉化、以及综合性能迅速衰减等问题更加严重。当前，针对金属箔储锂行为和机理的研究刚刚起步。

金属材料作为最广泛应用的结构材料，已经发展了一个多世纪。自从1880年H.C. Sorby首次通过金相显微镜观察到了钢的微观组织特征后，微观组织调控为金属工程材料的快速发展奠定了坚实的基础。晶界作为典型的金属材料微观组织特征，可为锂离子的迁移提供更加宽敞的晶格空间，锂离子在晶界处的扩散势垒远低于在晶粒内，它是锂离子的快速迁移通道，因此，晶粒细化可有效增加Sn箔平面内的快速嵌锂位点，提高锂化动力学。同时，随着晶粒细化，Sn箔强塑性增加，可有效缓解嵌/脱锂过程中体积变化带来的应力集中问题。然而，对于大多数金属材料来讲，由于晶界会发生迁移和泯灭，晶粒细化程度在亚微米级别会趋向于极限。因此，仍需要引入其他特征组织进一步增加嵌锂位点，同时提高Sn箔锂化综合性能。这些特征组织的类型、分布、密度等要素也需要系统的设计和研究。

【工作简介】

针对上述问题，近期，我院王恭凯副研究员以金属Sn箔为例，通过共晶合金化设计来增加Sn箔内的共晶金属单质框架和其引入的半共格相界，一方面相界可增加快速嵌锂位点，析出的共晶金属单质可提供导电网络，另一方面锂化前端结构转变诱发的位错运动不会在半共格相界处产生塞积，因此可有效缓解锂化应力集中。同时，利用塑性变形和回复再结晶机制，调控金属箔体相自由能，实现了相界和大角度晶界密度的显著增加，进一步提高了其嵌锂动力学，同时缓解应力集中。另外，金属箔体相的位错密度也得到了适当平衡，以免位错密度过高产生位错交割而影响持续的嵌锂驱动力。最终使得Sn箔体积比容量提高了近3倍，达到1200 mAh cm−3，循环稳定性和库伦效率也明显改善，面积比容量达到9 mAh cm−2，远高于文献报道的粉体负极材料水平。因此，通过共晶合金化设计和多尺度特征组织（取向、相界、晶界、位错）调控有望缓解金属箔负极的嵌锂动力学缓慢、嵌锂应力集中等系列问题，从而改善其综合储锂性能，实现低成本、高体积比能量（~1000 Wh L−1）LIBs的突破。该研究成果以Defect Character Distribution Regulation of Alloy Foil Anode for High Volumetric Energy Density Lithium Ion Battery为题发表在国际顶尖期刊Acta Materialia上。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118113

【作者简介】

王恭凯，材料科学与工程学院，副研究员/博士生导师。天津市“131”创新型人才培养工程第二层次人才（2018），河北省“三三三人才工程”第三层次人才（2019），河北省优秀青年基金项目获得者（2018）, 2022年任Rare Metal青年编委。长期从事高能量密度及多功能性超级电容器/二次电池电极材料和器件领域的基础研究，发表SCI论文超过60篇，论文总引用2700余次，H因子为27；授权发明专利6项；共获得科研项目资助8项，包括国家基金和各类省部级、横向项目。