【论文链接】

https://doi.org/10.1039/d5ta05802c

【作者单位】

南昌大学

【论文摘要】

大量研究致力于开发无负极锂金属电池，这主要归因于其卓越的能量密度和较低的制造成本。然而，铜集流体（Cu CCs）显著的晶格失配、较差的亲锂性以及表面粗糙度导致锂沉积不均匀和枝晶形成，严重削弱了电池的循环寿命和安全性。调节锂沉积/剥离行为的核心策略在于构建亲锂界面或功能涂层。本研究采用高效的磁控溅射技术在铜集流体上共沉积了一层均匀致密的Zn-Ag合金薄膜。这种低温、大面积且高度均匀的工艺显著降低了锂成核过电位和局域电流密度，从而促进了稳定、以无机物为主的固态电解质界面（SEI）的建立。

实验结果表明，在半电池测试中（0.5 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²），经过修饰的ZnAg@Cu集流体在800次循环后仍保持了98.43%的平均库仑效率。此外，对称电池在相同条件下循环3500小时后，表现出18 mV的超低电压滞后。值得注意的是，与磷酸铁锂（LFP）正极配对的全电池在0.5C倍率下循环100次后，容量保持率达到92.12%。本研究为无负极金属电池集流体的界面工程提供了一种创新解决方案，兼具高效制造与性能优化的双重优势。

【实验方法】

Cu 箔预处理

商用 6 mm 厚铜箔作为集流体基底，每片尺寸为 100 mm × 100 mm × 6 mm。首先将铜箔置于 0.1 M HNO₃ 溶液中超声酸洗 15 min，以去除表面氧化层；随后依次在丙酮和乙醇中各浸泡 5 min，再于去离子水中超声清洗 5 min，彻底清除表面污染物；最后将处理后的铜箔置于 80 °C 真空干燥箱中干燥 2 h。

薄膜沉积

实验采用高纯 Ag 靶（直流，Ф60 mm × 60 mm，99.99 %）和 Zn 靶（射频，Ф60 mm × 60 mm，99.99 %）作为阴极源。沉积前将铜箔固定于基片台，真空腔体先抽至 1.0 × 10⁻³ Pa，再通入 30 sccm Ar 气使系统压力升至 5 × 10⁻¹ Pa。基片旋转速度设为 10 rpm；Zn 靶射频功率固定 100 W，Ag 靶直流功率依次设定为 100 W、120 W 和 140 W，共溅射 15 min，在 Cu 表面获得不同成分的稳定 Zn–Ag 合金膜，分别记为 ZnAg100W@Cu、ZnAg120W@Cu 与 ZnAg140W@Cu。作为对比，通过精确控制溅射时间（功率固定：Ag 100 W DC，Zn 100 W RF），在 Cu 上单独沉积同等厚度的纯 Zn 和纯 Ag 膜，对应样品标记为 Zn100W@Cu 和 Ag100W@Cu。

【图文摘取】

【主要结论】

本研究采用磁控溅射技术在铜集流体表面构建 Zn–Ag 合金功能层，有效降低锂成核能垒，并在循环过程中显著提升亲锂性与界面稳定性。对比单金属 Zn 层、Ag 层及裸铜基底的电化学测试揭示了 Zn–Ag 合金层的协同增强机制：合金表面原位形成富 Li₃N/Li₂CO₃ 的高导电固态电解质界面（SEI），奠定了超长循环稳定性的基础。ZnAg 改性电极在 0.5 mA cm⁻² 下 800 次循环平均库仑效率达 98.43%，在 1 mA cm⁻² 下 700 次循环仍保持 97.23%；对称电池更分别实现 3500 h（ΔV ≈ 18 mV）和 3200 h（ΔV ≈ 24 mV）的超长稳定沉积/剥离。与磷酸铁锂（LiFePO₄）正极组成全电池后，在 0.5C 倍率下循环 100 次仍可保持 92.12% 的初始容量。结果表明，Zn–Ag 合金改性可协同优化界面的热力学与动力学特性，为开发高能量密度无负极锂金属电池提供了创新方案。

文章来源：新欣电池技术

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