研究背景

锂离子电池是便携式电子产品和电动汽车的一项关键技术。目前的锂离子电池依赖于石墨基阳极，它的比值和体积的锂离子存储能力有限，而且加工成本相对较高。与锂合金的材料，如硅、锡和铝，可以取代石墨基阳极，以实现更高的能量密度和比能量。铝最初在20世纪70年代被探索作为锂基电池的负极；1977年发明的第一个可充电锂电池是基于锂铝阳极的。对锂铝合金负极系统的研究集中在α相(Al)和β相(LiAl)之间的相变，这相当于993 mAh g^–1 的高理论比容量。除了高比容量，铝的各种其他特性使其在电池中的使用具有吸引力，包括其重量轻、地球资源丰富、成本低，以及基于既定供应链和加工能力的易回收性。

与硅等其他合金阳极材料相比，铝的另一个优势是能够制造铝基箔。直接使用合金箔作为储锂电极，可以通过消除浆液涂层的需要而简化制造过程。此外，如果铝的厚度略微过剩，该材料有可能同时作为活性材料和电流收集器，取代铜电流收集器并增加电池比能量。一般来说，基于铝箔阳极的电池的比能量/能量密度可以与由硅或其他合金制成的复合电极相媲美。

尽管长期以来，铝箔阳极在液体电解质锂离子电池中的商业应用受到快速容量衰减的限制。铝/锂（α/β）相变过程中的体积变化为96%，这导致了铝箔在锂化/脱硫循环过程中的粉碎和内部孔隙表面区域的二次固体电解质间相（SEI）生长，导致低库仑效率（CE）和快速容量衰减。以前的工作表明，纯铝和商业铝箔的电化学性能受到电解质消耗的内在限制，因为随着循环，铝箔的内部变得多孔化，会形成过多的SEI。

为了改善锂离子电池铝箔阳极的电化学循环性，研究工作致力于将铝与其他元素相结合。Heligman等人通过冷轧制造了 "交错共晶 "的铝锡合金箔。这种两相的微观结构已被证明比单相的纯金属箔更有利于合金箔的循环稳定性。Sharma等人证明，在铝箔中加入1%的硅对循环寿命和CE有好处。尽管这些策略提高了性能，但社会各界对成分和微观结构对金属箔阳极的降解行为的影响了解有限。

    工作介绍

本工作制造了具有不同成分和微观结构的铝基合金箔，然后研究了它们作为锂离子电池中的合金阳极的电化学行为。铝合金（铝锡、铝锌和铝镓）箔通常比纯铝箔显示出更好的循环寿命，并且发现成分和微观结构在决定循环能力方面发挥了重要作用。此外，研究结果表明，大多数这些铝箔以及其他各种铝箔成分的循环寿命都受到与纯铝相同的幂律降解行为的制约，表明铝箔阳极有一个共同的容量衰减机制。

    要点

一、添加合金成分可以使铝箔阳极的循环寿命增加2倍，而且铝箔的成分和微观结构都影响循环能力。

二、对于大多数铝基铝箔以及其他金属箔成分来说，循环寿命与每个循环的锂化程度有一个近似的幂律关系，这表明一个共同的 "电化学疲劳 "降解机制，该机制由合金/脱焊过程中形成的内部孔隙控制着各种金属箔基阳极的行为。

三、上述理解，以及合金箔的循环性的改善，提出了提高锂电池箔阳极性能的可能途径。

图1.制造的铝合金箔的微观结构。

图2.铝合金箔的电化学行为。

图3.铝合金箔的电化学疲劳机制。

图4.循环后的铝合金箔的形态。

    总结

本工作证明，铝基箔的循环性能可以通过添加其他元素成分而得到改善，但我们也表明，各种合金和箔的成分之间的降解机制是相似的。这里制造的铝合金箔被证明具有增强的循环稳定性和改进的速率行为。我们研究了循环寿命和每个循环的反应程度之间的幂律关系，我们将这种行为解释为 "电化学疲劳 "机制，与我们以前的工作一致。这种电化学疲劳机制描述了铝箔阳极的电化学机械降解行为，它涉及到每个周期表面积的递增，这导致SEI加速增长和电解质消耗。我们发现，大多数铝基金属箔以及其他金属箔（如锡和铟）的容量衰减受相同的幂律降解行为支配，表明金属箔基阳极的共同降解机制由内部孔隙表面的SEI增长主导。这项研究表明，具有不同成分和微观结构的阳极箔的关键限制与每个周期的孔隙形成有关，因此，尽量减少孔隙形成的方法对未来的阳极箔工程可能是重要的。

Common Capacity Fade Mechanisms of Metal Foil Alloy Anodes with Different Compositions for Lithium Batteries Congcheng Wang, Timothy Chen, Yuhgene Liu, Dae Hoon Kang, Diptarka Majumdar, Rajesh Gopalaswamy, and Matthew T. McDowell*

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00455 ACS Energy Lett. 2023, 8, 2252−2258

文章来源：电化学能源

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