DOI: 10.1016/j.cej.2021.130017

金属锂因其优异的比容量和较低的工作电位，能够使电池的能量密度大大提高，超过目前最先进的锂离子电池，而逐渐成为下一代有希望的负极材料之一。然而，锂金属的应用仍然面临着不可控的枝晶生长的挑战，其不断地引起寄生反应，进一步阻碍了锂金属电池的实际使用。为了通过使用结构方法来规避这一限制，本文报道了一种由可扩展双喷嘴静电纺丝制备的金纳米颗粒掺杂一维中空碳纤维（Au@HCF），作为有前途的锂主体。由于其清晰的一维电子传导路径可降低有效电流密度以及控制锂金属的中空型芯，Au@HCF可以减轻锂枝晶在上表面的生长并稳定固体电解质界面层，从而在1mA/cm2和2mAh/cm2下实现99-99.9％的高库仑效率。此外，LiFePO4全电池与含2mAh/cm2 Li预沉积的Au@HCF负极的组合显示出超过380个循环的长期循环寿命，这表明锂约束结构的设计概念是构建新型锂金属电池的一个极好选择。

图1.（a）静电纺丝Au@HCF的实验方案。（b）Au@HCF的SEM和（c-e）TEM图像。（e）中的插图是由黄色方框表示区域的高分辨率TEM（HR-TEM）图像。（f）Au@HCF的STEM图像及其碳、氮和金EDS元素图。

图2.含Cu、HCF和Au@HCF电极的不对称电池在1mA/cm2的电流密度下的循环性能，其Li镀层/剥离能力分别为（a）1mAh/cm2和（b）2mAh/cm2。（c）裸Cu，（d）HCF和（e）Au@HCF电极在1mA/cm2下进行不同循环的电压曲线，CE测试期间的恒定Li镀层/剥离能力为1mAh/cm2，如（a）所示。

图3.第100次锂镀层后Cu、HCF和Au@HCF电极的SEM图像：（a-c）俯视图和（d-f）横截面图。（g）第150次锂镀层后Au@HCF电极的横截面图。（a-c）中的插图是电极的数码照片。

图4.Au@HCF电池在1mA/cm2下测量的第20个电压曲线，Li镀层/剥离能力固定为2mAh/cm2。（插图）在不同的Li镀层和剥离点处Au@HCF电极的数码照片及其对应的方案显示了纤芯中Li镀层和剥离形态。（b-e）在（a）中标记的点处获得的Au@HCF的SEM和TEM图像。b-e右侧图中的插图是由白框放大的HR-TEM图像。

图5.含20µm Li（Li20）、Cu-Li、HCF-Li和Au@HCF-Li负极的对称电池在1mA/cm2时的电压曲线，Li镀层/剥离能力为1mAh/cm2。对于此测试，将3mAh/cm2 Li（约15µm厚的Li）预镀到Cu、HCF和Au@HCF上，分别形成Cu-Li、HCF-Li和Au@HCF-Li电极。由（a）中颜色框放大的详细电压曲线，从0到5个循环（b），90到95个循环（c）以及250到255个循环（d）。（e）在0.2C-10C的不同充放电速率下对所有电池进行的倍率性能测试，以及在（f）0.2C，（g）4C和（h）10C下的相应电压曲线。

图6.含Li20、Cu-Li、HCF-Li和Au@HCF-Li负极的LFP全电池的循环性能。对于该测试，将2mAh/cm2 Li（约10µm厚的Li）预沉积到Cu、HCF和Au@HCF上，分别形成Cu-Li、HCF-Li和Au@HCF-Li电极。（b-d）（a）中第5、第100和第200个循环的详细电压曲线。（b-d）中的插图是红色框标记区域的放大图。（e-g）全电池如（a）所示在第5、100和200个循环期间的奈奎斯特图。插图显示了用于拟合EIS结果的等效电路模型（Rs：溶液电阻。RSEI和Rct：SEI和电荷转移电阻。CPE1和CPE2：恒定相元件；Zw：Warburg元件）。

图7.200个循环后，图6a中所示的LEP全电池负极的SEM图像：（a-d）俯视图和（e-h）横截面图。（a-d）中的插图是电极的数字图像。