與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電池相比，3D電池在電化學(xué)離子傳輸動(dòng)力學(xué)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，由于特殊的電極配置和制造復(fù)雜性，3D電池設(shè)計(jì)存在固有的機(jī)械穩(wěn)定性問(wèn)題，僅在微系統(tǒng)中取得成功，遠(yuǎn)非理想。

上?？萍即髮W(xué)劉巍等設(shè)計(jì)了一種由并聯(lián)微電池陣列組成的高穩(wěn)定性、一體化結(jié)構(gòu)的3D鋰金屬電池。

圖1 一體式結(jié)構(gòu)化LMB與傳統(tǒng)LMB之間的比較

3D電池包括鋰金屬負(fù)極、液態(tài)電解液和正極材料在內(nèi)的所有組件都嵌入到一個(gè)甘蔗衍生框架的微管中，形成平行的微電池陣列，不同于傳統(tǒng)的三層鋰金屬電池。天然甘蔗中連續(xù)、垂直排列的微通道在整個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)中提供了直接、非曲折的離子傳輸路徑，這不僅使鋰離子通量均勻化并限制了鋰金屬的體積波動(dòng)，而且還可促進(jìn)正極中的離子傳輸動(dòng)力學(xué)。

此外，作為一種有用的框架，具有蜂窩狀形態(tài)的甘蔗被證明具有高孔隙率和高機(jī)械強(qiáng)度，以及結(jié)構(gòu)自恢復(fù)能力。良好的機(jī)械性能和斷面的竹狀微觀結(jié)構(gòu)可避免電池短路并確保其在實(shí)際使用中的穩(wěn)定性。

圖2 甘蔗作為多功能載體的應(yīng)用

通過(guò)簡(jiǎn)單的自吸收工藝，可以直接以高面積質(zhì)量負(fù)載涂覆各種正極材料，包括LiCoO₂(LCO)、LiFePO₄(LFP)和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)。值得注意的是，由于甘蔗骨架的超高孔隙率（92.5-96.8%）且強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性，器件中的非活性組分保持在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（<20 wt%）。全電池水平的快速離子傳輸動(dòng)力學(xué)不僅可以解決負(fù)極鋰枝晶的關(guān)鍵問(wèn)題，還可以提高正極的電化學(xué)性能。

結(jié)果，所得鋰金屬負(fù)極在10 mA cm^-2的高電流密度下獲得了1000次循環(huán)壽命的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。并且，所得到的基于LFP的鋰金屬電池在1.2 mA cm^-2的電流密度下顯示出10.4 mAh cm^-2的高面積能量密度，與傳統(tǒng)電池相比，其倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性均有所提高。

圖3 全電池性能

All-in-One Structured Lithium-Metal Battery. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202200547