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研究背景与发表情况
这项研究由 Xiamen University（厦门大学）的多个学院及实验室共同完成，主要研究者包含 Huiqun Wang, Yuxiang Mao, Peng Xu 等人，通讯作者为 Yu Gu、Li Zhang 和 Jiajia Han。这篇文章于2025年2月4日在《Energy & Environmental Science》，即皇家化学学会（The Royal Society of Chemistry）旗下期刊上发表，文章的 DOI 为 10.1039/d4ee05862c。
学术背景与研究目标
本研究属于先进能源存储领域，主题是锂金属电池（Lithium Metal Batteries，LMBs）的研究及其高性能集流体（Current Collector，CC）的开发。
锂金属电池以其显著的理论能量密度优势，被认为是下一代高能量密度储能系统的有力候选方案，在电动汽车、可穿戴设备及新能源存储中具有重要潜力。然而，其实际应用受到锂枝晶生长、库仑效率低、安全性隐患等问题的严重制约。这些问题源于锂金属反应活性过高，易与电解液发生副反应，且在宽泛的充放电循环中产生不均匀的固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）。
为解决这一技术障碍，研究者开发了一种新型的、锂亲和性的铜锌合金“皮肤”（cu0.64zn0.36 alloy “skin”），通过超快高温电流加热（Ultra-Fast High-Temperature Joule Heating, UHT）方法在商用铜集流体表面实现合金化改性。本研究旨在提升锂金属沉积行为的均匀性和可逆性，并为锂金属电池实用化提供批量生产的技术基础。
研究工作流程与实验设计
1. 制备与表征阶段
研究采用 UHT 方法，通过两步原位合金化工艺来改性铜集流体。第一步在较低温度下，将蒸气化的锌与铜表面反应生成富锌相的过渡态（cu5zn8）；第二步在更高温度下实现深度合金化，形成最终的锂亲和性合金层cu0.64zn0.36（即cu@cu0.64zn0.36）。研究使用多种实验手段对合金层的结构、组成和表面形貌进行了系统表征，包括 XRD、AFM、FESEM、高分辨投射电子显微镜（HRTEM）、XPS 和 ICP-OES 等。
2. 电化学测试阶段
研究构建了 LMB 半电池和全电池，通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、库仑效率（CE）测试、恒电流间歇滴定技术（GITT）分析锂沉积/剥离行为，以及长循环稳定性。
3. 理论计算验证阶段
利用第一性原理密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟对锂与不同铜锌合金表面的结合能及锂沉积动态行为进行了计算，帮助解释实验结果。
4. 批量生产与扩展研究阶段
为验证方法的可行性，研究团队开发了实验室级规模的 UHT 设备并进行了小规模批量生产，同时将方法扩展到其他金属元素（如银、铝、锡和镁）的改性合金研究。
研究主要结果与数据支持
1. 合金层的成功制备与表征
通过 XRD 分析发现，初步反应形成的cu5zn8 物相后续在高温条件下完全转化为cu0.64zn0.36，HRTEM 显示该合金具有均匀的晶粒分布，形成具有优异锂亲和性的薄膜层。XPS 鉴定证实锌成功掺入铜表面，同时表面氧化物显著减少，ICP-OES 数据显示该合金层厚度约为470 nm。
2. 锂沉积性能的显著改善
在 LMB 半电池测试中，改性铜集流体的锂沉积势垒明显降低，锂的成核过电位从原始铜的93.6 mV 降至改性铜的33.2 mV。进一步的 EIS 数据表明，改性铜具有更低的 SEI 阻抗和界面过电势，Cu@Cu0.64Zn0.36 在1 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻²条件下稳定工作超300 循环。
3. 理论计算的支持
DFT 分析显示，cu0.64zn0.36 表面能低，锂与其结合能高，说明该合金层更稳定、更有利于锂均匀沉积。MD 模拟进一步验证了锂原子在其表面上分布更加均匀，从而有效抑制锂枝晶的形成。
4. 对全电池性能的提升
Li||LiFePO₄ 全电池测试中，改性铜集流体显示更好的循环稳定性与容量保持率。在0.1C 速率下，与未改性电池相比，改性电池在320 次循环后保持95%的比容量。
研究结论与价值
本研究成功开发了基于 UHT 工艺制备 Cu-Zn 合金改性铜集流体的方法。研究表明，改性后的集流体显著提升了锂沉积的均匀性和稳定性，为锂金属电池在实际应用中的推广提供了可能。尤其是，通过发展实验室批量生产设备，研究首次展现了新方法从小规模实验到大规模生产的潜力。
该研究在以下方面具有重要意义：
1. 在锂金属电池领域提供了一种低成本、高效、可扩展的集流体改性工艺；
2. 拓展了 UHT 方法在其他金属合金改性中的应用潜力；
3. 开创性地以 Cu0.64Zn0.36 合金提升锂金属电池性能，为未来更高性能、更高能量密度的电池设计提供了方向。
研究亮点
1. 使用两步法原位合金化制备具有精确成分控制的锂亲和性合金层。
2. 通过 UHT 方法实现纳秒级快速合金化，大幅降低工艺耗时和能量消耗。
3. 理论与实验紧密结合，从微观机理到宏观性能均得到验证。
4. 实验室设备扩展至小批量生产，为技术转化打下良好基础。