金屬錫（Sn）負極具有高的理論比容量（990 mAh g-1）、安全的嵌鋰電位（平均~0.4 V）和高的電子電導率（9.1×10^6 m·Ω），是一種極具潜力的高容量鋰離子電池負極資料。然而，Sn負極在充放電過程中產生的巨大體積變化（260%）和應力會使電極發生粉化，使其在迴圈過程中容量急劇下降，制約了Sn負極的實際應用和商業化行程。在先前的研究中，Sn顆粒納米化、Sn/C或Sn基納米合金結構設計等手段可以在很大程度上緩解體積膨脹問題並提高電極的迴圈效能。但納米顆粒電極所存在的固有缺陷（如製備方法複雜、穩定性差、振實密度低、體積能量密度低及吸液率高等）阻礙了其應用。相較於Sn納米顆粒電極而言，Sn箔在加工性和體積能量密度等方面都具有更大的優勢，但金屬箔負極與鋰發生不均勻的合金化反應時所產生的大的局部體積變形和應力會導致Sn箔在迴圈過程中發生電化學-力學失效行為。解决上述問題的關鍵在於提高Sn箔的電解液浸潤性、緩解Sn箔的晶界效應和體積膨脹問題。
近日，孫永明教授課題組聯合楊輝教授、李晨輝教授課題組通過一系列的電化學-力學耦合類比及電化學測試，系統研究了Sn箔負極在電化學迴圈時的失效過程，證明了通過晶粒細化和孔隙設計能够有效緩解Sn箔的電化學-力學失效行為。進一步，作者設計了一種三維相互穿插的多孔Sn（3DIP-Sn）箔，該資料具有優异的電解液浸潤性、細化的晶粒（300-500 nm）三維孔隙結構以及適中的孔隙率（58.7%），這些特質能够有效促進Sn箔在充放電過程中的應力弛豫。囙此，3DIP-Sn箔在1 mAh cm-2和0.5 mA cm-2的條件下，迴圈壽命高達4400h（原始Sn箔為1000h）。當匹配商業化正極資料組裝成全電池時3DIP-Sn||LiFePO4（LiFePO4，載量~7.1 mg cm-2）在迴圈500次後具有80%的容量保持率，3DIP-Sn|| NCM622（NCM622，載量~18.4 mg cm-2）也展現出良好的迴圈穩定性。該項研究為高性能的金屬箔負極的開發指明了新的方向。
圖1.（a，b）不同結構的Sn箔在鋰化過程中的行為示意圖，不同結構的Sn箔在不同鋰化時間段的化學-機械類比圖（c）Li濃度分佈和（d）應力分佈。
圖2.（a）3DIP-Sn箔製備過程示意圖，（b-d）分別為原始Sn箔的SEM影像、EBSD影像和晶粒尺寸統計圖，（e-f）分別為3DIP-Sn箔的平面SEM影像、截面SEM影像和HAADF影像。
圖3.（a，b）3DIP-Sn和原始Sn箔半電池在不同電流密度下的時間-電壓曲線，（c）兩種電極的極化電壓在迴圈過程中的變化，（d）3DIP-Sn箔的充放電曲線，（e）3DIP-Sn箔在不同迴圈次數時的EIS影像。
圖4.3DIP-Sn和原始Sn箔匹配商業化正極資料組裝的全電池的電化學性能測試，（a，b）匹配不同載量LiFePO4的迴圈效能，（c）匹配高載量NCM622的迴圈效能，（d，e）匹配低載量LiFePO4的倍率效能及對應的充放電曲線，（f）匹配高載量LiFePO4的倍率效能。
2021年4月09日，能源類頂級國產期刊《Journal of Energy Chemistry》線上刊發了相關研究成果《Circumventing chemo-mechanical failure of Sn foil battery anode by grain refinement and elaborate porosity design》（論文連結：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.03.053）。該研究得到了國家自然科學基金（No. 520721137，51802105）的資助。