牛志强/刘丽丽Angew：水系电池中高可逆铜金属负极的晶格匹配策略

2023年10月10日下午4:03 • 顶刊解读

铜(Cu)金属因其高理论比容量(844 mAh g^-1)、良好的环境相容性和高地球丰度而成为水系可充电池有吸引力的负极材料。然而，Cu负极在充放电过程中经常存在沉积/剥离可逆性差和沉积不均匀的问题，这降低了水系Cu金属电池的寿命。

南开大学牛志强、天津理工大学刘丽丽等开发了一种晶格匹配策略来设计高性能铜金属负极。

图1 不同晶格匹配诱导的Cu在导电衬底上的生长模式

具体而言，在这种策略中，选择与Cu具有高晶格匹配的Ni基板来支撑Cu负极。由于Ni基板与Cu负极显示出高晶格匹配，因此在Cu和Ni基板之间实现了完全共格的界面，其中Cu原子可以很容易地与Ni原子相互作用以沿着基底层生长。此外，与其他典型的导电基板相比，Cu原子在Ni基板上具有较低的吸附能和扩散势垒，这使得Cu在Ni基板上电沉积均匀致密，从而避免了枝晶的形成。

图2 Cu在各种导电基板上的生长形态

因此，Cu负极表现出稳定的循环性能，具有高CE (~99.4%)、低成核过电位以及优异的倍率性能，这确保了Ni基板支撑的Cu负极将成为水系电池有前景的负极。作为概念验证，与二氧化铅正极配对的全电池提供了1.27 V的高工作电压和稳定的循环行为，在200次充放电循环后显示出99.3%的容量保持率。这项工作为水系可充电池中高性能Cu电极的设计提供了一条途径。

图3 Cu||PbO₂电池的电化学性能

A Lattice Matching Strategy for Highly Reversible Copper Metal Anodes in Aqueous Batteries. Angew 2022. DOI: 10.1002/anie.202205472

牛志强/刘丽丽Angew：水系电池中高可逆铜金属负极的晶格匹配策略

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