近日，四川大学机械工程学院刘文博教授团队在高容量、长寿命锂离子电池电极结构创新设计与性能提升方面取得重要进展，相关研究成果以“Monolithic three-dimensional hollow nanoporous CuxO encapsulated mesoporous Cu heterostructures with superior Li storage properties”为题发表于材料科学领域国际权威期刊《EcoMat》，并被选为正封面文章。机械工程学院硕士研究生闫晓孟为第一作者，刘文博教授为论文通讯作者。

剧烈体积膨胀和低电导率是过渡金属氧化物（TMOs）作为锂离子电池（LIBs）负极材料遭受严重性能衰减的主要原因。设计一体化三维中空构型集成纳米结构金属框架，可同时提高电极的结构稳定性和导电性，是克服上述挑战的一个有效策略。近年来，作为TMOs家族的一员，CuxO（x=1，2）凭借其较高的比容量、合适的嵌锂电位、资源丰富且成本低廉等优点，被视为极具应用前景的负极候选材料。大量研究表明，引入中空结构不仅可以有效缓冲充放电过程中的体积变化，还能增加电极与电解液之间的接触面积，有助于提高储锂容量和循环稳定性。但遗憾的是，由于在合成和精确控制复杂高维纳米结构方面存在诸多困难和挑战，到目前为止几乎所有中空结构设计策略仅能在低维（如零维或一维）纳米结构中实现，而对具有一体化中空互连结构的三维纳米体系却鲜有报道。另一方面，CuxO负极材料通常需要与铜箔、泡沫铜等金属良导体结合形成具有异质结构的复合材料使用，以此来提升电极的导电性。不过上述策略仍面临两个主要问题难以解决：其一是传统体相金属集流体会明显提高电极重量从而降低电池能量密度，其二是快速电荷转移仅局限于相互独立的低维中空结构内部，而难以有效扩展到整个三维电极体系实现互联互通，导致倍率性能欠佳。因此，如何在三维空间有效构筑一体化中空结构同时提升导电性对于改善CuxO乃至TMOs基负极材料的储锂性能都至关重要。

受自然界中豇豆构型有助于改善干旱环境中富水输运的启发，四川大学刘文博教授团队首次提出了一种一体化三维中空纳米管集成内部多孔金属导电网络的异质结构设计策略，为提升TMOs基负极材料储锂性能提供了一条有效途径。为验证这一假设，该团队采用工艺简单的三步法（化学去合金化-退火处理-选择性刻蚀）制备出一种一体化三维中空纳米多孔CuxO封装介孔Cu异质结构（3D-HNP CuxO@m-Cu）。研究结果表明，3D-HNP CuxO@m-Cu具有独特的三维纳米多孔结构特征，即由相互连通的一体化中空CuxO纳米管和内部封装的介孔Cu纳米颗粒共同组成。此外，将3D-HNP CuxO@m-Cu作为LIBs无添加剂（粘结剂和导电剂）型一体化负极可展现出较高的储锂容量、良好的循环稳定性和优异的倍率性能（首次可逆容量2.02 mAh cm-2，200周循环后容量保持率76.2%，库仑效率约99.9%，100周阶梯倍率循环后可逆容量1.46 mAh cm-2）。这主要归因于相互连通的一体化中空CuxO纳米管与内部介孔Cu金属导电网络之间协同作用的结果,由此实现了活性物质双向的机械应力缓冲，提供了更多的电化学反应活性位点，缩短了电极内部Li+传输距离并改善了电极的电子导电性。这项工作为合理构建下一代先进LIBs用高性能TMOs基负极提供了全新策略。

文章封面

3D-HNP CuxO@m-Cu一体化电极的制备流程图

3D-HNP CuxO@m-Cu一体化电极制备过程的结构表征

3D-HNP CuxO@m-Cu一体化电极的物相与键价分析

3D-HNP CuxO@m-Cu一体化电极的电化学性能

3D-HNP CuxO@m-Cu一体化电极的循环后表征与嵌脱锂反应机理

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、四川省国际科技创新合作计划等项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eom2.12208