金属锡（Sn）负极具有高的理论比容量(990 mAh g^-1)、安全的嵌锂电位（平均~0.4 V）和高的电子电导率(9.1×10^6 m·Ω)，是一种极具潜力的高容量锂离子电池负极材料。然而，Sn负极在充放电过程中产生的巨大体积变化（260%）和应力会使电极发生粉化，使其在循环过程中容量急剧下降，制约了Sn负极的实际应用和商业化进程。在先前的研究中，Sn颗粒纳米化、Sn/C或Sn基纳米合金结构设计等手段可以在很大程度上缓解体积膨胀问题并提高电极的循环性能。但纳米颗粒电极所存在的固有缺陷（如制备方法复杂、稳定性差、振实密度低、体积能量密度低及吸液率高等）阻碍了其应用。相较于Sn纳米颗粒电极而言，Sn箔在加工性和体积能量密度等方面都具有更大的优势，但金属箔负极与锂发生不均匀的合金化反应时所产生的大的局部体积变形和应力会导致Sn箔在循环过程中发生电化学-力学失效行为。解决上述问题的关键在于提高Sn箔的电解液浸润性、缓解Sn箔的晶界效应和体积膨胀问题。

近日，孙永明教授课题组联合杨辉教授、李晨辉教授课题组通过一系列的电化学-力学耦合模拟及电化学测试，系统研究了Sn箔负极在电化学循环时的失效过程，证明了通过晶粒细化和孔隙设计能够有效缓解Sn箔的电化学-力学失效行为。进一步，作者设计了一种三维相互穿插的多孔Sn（3DIP-Sn）箔，该材料具有优异的电解液浸润性、细化的晶粒（300-500 nm）三维孔隙结构以及适中的孔隙率（58.7%），这些特质能够有效促进Sn箔在充放电过程中的应力弛豫。因此，3DIP-Sn箔在1 mAh cm^-2和0.5 mA cm^-2的条件下，循环寿命高达4400h (原始Sn箔为1000h)。当匹配商业化正极材料组装成全电池时3DIP-Sn||LiFePO₄(LiFePO₄, 载量~7.1 mg cm^-2)在循环500次后具有80%的容量保持率，3DIP-Sn|| NCM622(NCM622, 载量~18.4 mg cm^-2)也展现出良好的循环稳定性。该项研究为高性能的金属箔负极的开发指明了新的方向。

图1. (a, b)不同结构的Sn箔在锂化过程中的行为示意图，不同结构的Sn箔在不同锂化时间段的化学-机械模拟图（c）Li浓度分布和(d)应力分布。

图2.(a)3DIP-Sn箔制备过程示意图,(b-d)分别为原始Sn箔的SEM图像、EBSD图像和晶粒尺寸统计图,(e-f)分别为3DIP-Sn箔的平面SEM图像、截面SEM图像和HAADF图像。

图3. (a, b)3DIP-Sn和原始Sn箔半电池在不同电流密度下的时间-电压曲线，(c)两种电极的极化电压在循环过程中的变化，(d) 3DIP-Sn箔的充放电曲线，(e) 3DIP-Sn箔在不同循环次数时的EIS图像。

图4. 3DIP-Sn和原始Sn箔匹配商业化正极材料组装的全电池的电化学性能测试，（a, b）匹配不同载量LiFePO₄的循环性能，(c) 匹配高载量NCM622的循环性能，(d，e) 匹配低载量LiFePO₄的倍率性能及对应的充放电曲线，(f) 匹配高载量LiFePO₄的倍率性能。

2021年4月09日，能源类顶级国产期刊《Journal of Energy Chemistry》线上刊发了相关研究成果《Circumventing chemo-mechanical failure of Sn foil battery anode by grain refinement and elaborate porosity design》（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.03.053）。该研究得到了国家自然科学基金(No. 520721137, 51802105)的资助。