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體積能量密度是鋰金屬電池(LMBs)的一個關(guān)鍵但容易被忽視的指標。

中科院物理所索鎏敏等考慮到必須嚴格限制過量的鋰以實現(xiàn)有競爭力的能量密度，提出將無負極LMBs (AF-LMBs)（以裸銅箔作為負極集流體）用于高體積密度電池。

圖1 LMB實際應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

與重量能量密度相比，LMBs的體積能量密度(VED)對負極/正極(A/C)比更為敏感，這是因為鋰金屬的密度較低，并且鋰金屬負極在循環(huán)過程中因粉碎而體積膨脹。無負極LMBs（AF-LMBs）由于沒有負極和相對較低的電池膨脹，因此具有較高的理論VED。

由于鋰的沉積高度依賴于母基板，在循環(huán)過程中，銅（Cu）基板上的鋰沉積比鋰基板上更可逆且致密，因此，采用裸銅箔作為負極集流體構(gòu)建無負極 LMBs (AF-LMBs)有利于保持高容量和高的鋰利用率。

圖2 銅和鋰基板上的鋰利用效率

總之，AF-LMBs在循環(huán)過程中具有高初始VED和低體積膨脹，從而促使高VED。首先，AF-LMBs中的無鋰金屬負極設(shè)計表現(xiàn)出比LMBs（846 Wh L^-1）高得多的 VED（975 Wh L^-1）。其次，AF-LMB中的鋰沉積比LMBs中的更密集，從而可確保循環(huán)期間的高VED。第三，Cu基板上的Li利用率比Li基板上更高，Li成核更均勻，生長更密集，這可有效防止SEI和死Li形成導致的不可逆Li損失。

最后，AF-LMBs具有低體積膨脹，并且不會出現(xiàn)LMBs中連續(xù)粉碎的鋰箔，這有利于維持VED?；谶@些結(jié)果，AF-LMBs有望用于高能電池的進一步發(fā)展。

圖3 LMB和AF-LMB在100%充電階段(SOC)的VED

A Better Choice to Achieve High Volumetric Energy Density: Anode-Free Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202110323

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物理所索鎏敏AM：實現(xiàn)高體積能量密度的更好選擇-無負極鋰金屬電池

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