Advanced 3D Current Collectors for Dendrite-free Lithium Metal Anode

doi:10.7503/cjcu20200678

Abstract

Abstract:

Nowadays， with the rapid development of electrochemical energy storage market， the present commercial lithium ion batteries cannot meet the growing demand for energy storage devices with higher energy density. Metallic lithium is strongly regarded as the most promising anode candidate for next-generation high-energy-density batteries， due to its superior theoretical capacity and low electrochemical potential. However， there are still several determent issues to be addressed during charging and discharging， including huge volume change， lithium dendrite growth and unstable interface， which seriously hinder its practical application in secondary batteries. Three-dimensional（3D） porous matrixes are considered as ideal current collectors to realize a uniform Li nucleation and dendrite-free Li plating as well as to overcome volume expansion simultaneously. 3D current collectors possess spacial framework， large surface area， abundant pores and high mechanical properties， which enable a lower local current density， uniform electric field distribution and reduced concentration gradient for lithium anode during Li plating/stripping. Although many research papers related to 3D current collectors have been published recently， few comprehensive and systemic evaluation was revealed on the currently various 3D current collector systems. This review focuses on the research progress referring to structure design and practical application of 3D current collectors in lithium anode. Firstly， an analysis about the principle and limitation of lithium dendrite suppression by 3D current collector is provided. Secondly， we pay close attention to strategies for controllable construction， surface modification and functio-nality of a 3D structure and resulting improvement of Li deposition. A comparison among various 3D hosts based on different materials is summarized， in terms of advantages and shortages. Finally， perspectives of the future research based on the practical application in this field are discussed.

Key words: Secondary battery, Lithium metal anode, Three dimension current collector, Lithium dendrite, Uniform deposition

CLC Number:

O646

TrendMD:

LI Tong, GU Sichen, LIN Qiaowei, HAN Junwei, ZHOU Guangmin, LI Baohua, KANG Feiyu, LYU Wei. Advanced 3D Current Collectors for Dendrite-free Lithium Metal Anode[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1480.

Figures/Tables 16

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Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/(mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Reference
Au@hollow carbon sphere	Electrochemical plating	0.5, 1, 300, 98%	—	—	[58]
Li_4.4Sn@hollow graphene spheres	Electrochemical plating	0.5, 1, 150, 97.5%	1, 1, 600	LiFePO₄(12 mg/cm²), 1C, 100	[71]
S?doped mesoporous carbon nanospheres	Electrochemical plating	0.5, 1, 220, 97.5%	0.5, 1, 1600	LiFePO₄, 1C, 300	[64]
Nitrogen?doped graphitic carbon foams	Electrochemical plating	2, 2, 300, 99.6%	2, 1, 200	LiFePO₄, 0.5C, 200	[50]
Hierarchical silver?nanowire? graphene host	Electrochemical plating	—	40, 1, 1000	NMC, 10C, 1000	[48]
Co@cMOF	Electrochemical plating	10, 1, 130, 91.5%	1, 1, 1000	NMC, 1C, 100	[59]
Zn@cMOF	Electrochemical plating	—	0.2, 0.2, 350	—	[60]
Zn@cMOF	Molten lithium infusion	—	1, 1, 700	—	[61]
Carbon nanotube sponge	Electrochemical plating	1, 2, 90, 98.5%	—	—	[43]
Graphite microtubes	Electrochemical plating	5, 10, 100, 97.5%	1, 10, 3000	LiFePO₄(2.0 mg/cm²), 0.5C, 1000	[44]
Hollow carbon fibers	Electrochemical plating	0.5, 2, 350, 99.5%; 1, 6, 75, 99%	2, 1, 600	LiFePO₄, 0.2, 150	[45]
Carbon nanotube paper	Molten lithium infusion/Electrochemical plating	—	2, 9.5, 3000	LiFePO₄, 1 mA/cm², 1000	[72]
Layered Li?rGO composite film	Molten lithium infusion	—	3, 1, >100	—	[35]
Nitrogen?doped graphene	Molten lithium infusion	—	1, 1, 727	LiFePO₄, 0.2C, 500	[52]
Ag@carbon fiber paper	Electrochemical plating	0.5, 2, 110, 98%	—	—	[56]
Vertically grown edge?rich graphene nanosheets@ carbon fiber	Molten lithium infusion	—	0.5, 1, 1000	LiFePO₄, 1C, 1000	[73]
Lithiophilic carbon film	Molten lithium infusion	—	1, 1, 600	Mg/Ti-LiNiO₂, 0.2C, 50	[74]
Si@carbon fiber	Molten lithium infusion	—	3, 1, >80	—	[37]
Graphitized carbon fibers	Electrochemical plating	0.5, 8, 50, 98%	2, 1, 170	LiFePO₄, 0.5C, 800	[66]
TiN@ carbon fibers	Electrochemical plating	3, 1, 200, 96.8%	1, 1, 600	LiFePO₄, 1C, 250	[67]
Mo₂N@ carbon fibers	Electrochemical plating	4, 3, 150, 99.2%	6, 6, 1500	NMC811, 3C, 150	[68]
Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/(mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Reference
Amine?functionalized meso? porous carbon nanofibres	Molten lithium infusion	—	—	NMC622, 353 W·h/kg; NMC811, 381 W·h/kg	[63]
Gradient?distributed ZnO@ carbon fibers	Electrochemical plating	0.5, 0.5, 700,98.1%	0.5, 0.5, 1400	LiFePO₄, 1C, 300	[31]
Au modification on one side of the carbon fibers matrix	Electrochemical plating	2, 4, 99.0%, 400; 5, 5, 98.0%, 100	1, 2, 700	Li—S(2.0 mA·h/cm²), 0.1C, 100(672 mA·h/g)	[30]
Au modification on one side of the carbon fiber paper	Electrochemical plating	2, 30, 98.7%	10, 30, 1000	Li—S(4.0 mg/cm²), 0.5C, 200(933 mA·h/g)	[32]
LiF@carbonized eggplant	Molten lithium infusion	1, 2.2, 100, 99.1%	1, 3, 250	LiCoO?, 0.2C, 80	[49]
ZnO@carbonized wood	Molten lithium infusion	—	3, 1, 225	—	[46]
ZnO quantum dots@ carbonized bamboo	Electrochemical plating	1, 1, 200, 96.8%	—	LiCoO₂, 0.5C, 160	[75]

Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/(mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Reference
Au@hollow carbon sphere	Electrochemical plating	0.5, 1, 300, 98%	—	—	[58]
Li_4.4Sn@hollow graphene spheres	Electrochemical plating	0.5, 1, 150, 97.5%	1, 1, 600	LiFePO₄(12 mg/cm²), 1C, 100	[71]
S?doped mesoporous carbon nanospheres	Electrochemical plating	0.5, 1, 220, 97.5%	0.5, 1, 1600	LiFePO₄, 1C, 300	[64]
Nitrogen?doped graphitic carbon foams	Electrochemical plating	2, 2, 300, 99.6%	2, 1, 200	LiFePO₄, 0.5C, 200	[50]
Hierarchical silver?nanowire? graphene host	Electrochemical plating	—	40, 1, 1000	NMC, 10C, 1000	[48]
Co@cMOF	Electrochemical plating	10, 1, 130, 91.5%	1, 1, 1000	NMC, 1C, 100	[59]
Zn@cMOF	Electrochemical plating	—	0.2, 0.2, 350	—	[60]
Zn@cMOF	Molten lithium infusion	—	1, 1, 700	—	[61]
Carbon nanotube sponge	Electrochemical plating	1, 2, 90, 98.5%	—	—	[43]
Graphite microtubes	Electrochemical plating	5, 10, 100, 97.5%	1, 10, 3000	LiFePO₄(2.0 mg/cm²), 0.5C, 1000	[44]
Hollow carbon fibers	Electrochemical plating	0.5, 2, 350, 99.5%; 1, 6, 75, 99%	2, 1, 600	LiFePO₄, 0.2, 150	[45]
Carbon nanotube paper	Molten lithium infusion/Electrochemical plating	—	2, 9.5, 3000	LiFePO₄, 1 mA/cm², 1000	[72]
Layered Li?rGO composite film	Molten lithium infusion	—	3, 1, >100	—	[35]
Nitrogen?doped graphene	Molten lithium infusion	—	1, 1, 727	LiFePO₄, 0.2C, 500	[52]
Ag@carbon fiber paper	Electrochemical plating	0.5, 2, 110, 98%	—	—	[56]
Vertically grown edge?rich graphene nanosheets@ carbon fiber	Molten lithium infusion	—	0.5, 1, 1000	LiFePO₄, 1C, 1000	[73]
Lithiophilic carbon film	Molten lithium infusion	—	1, 1, 600	Mg/Ti-LiNiO₂, 0.2C, 50	[74]
Si@carbon fiber	Molten lithium infusion	—	3, 1, >80	—	[37]
Graphitized carbon fibers	Electrochemical plating	0.5, 8, 50, 98%	2, 1, 170	LiFePO₄, 0.5C, 800	[66]
TiN@ carbon fibers	Electrochemical plating	3, 1, 200, 96.8%	1, 1, 600	LiFePO₄, 1C, 250	[67]
Mo₂N@ carbon fibers	Electrochemical plating	4, 3, 150, 99.2%	6, 6, 1500	NMC811, 3C, 150	[68]
Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/(mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Reference
Amine?functionalized meso? porous carbon nanofibres	Molten lithium infusion	—	—	NMC622, 353 W·h/kg; NMC811, 381 W·h/kg	[63]
Gradient?distributed ZnO@ carbon fibers	Electrochemical plating	0.5, 0.5, 700,98.1%	0.5, 0.5, 1400	LiFePO₄, 1C, 300	[31]
Au modification on one side of the carbon fibers matrix	Electrochemical plating	2, 4, 99.0%, 400; 5, 5, 98.0%, 100	1, 2, 700	Li—S(2.0 mA·h/cm²), 0.1C, 100(672 mA·h/g)	[30]
Au modification on one side of the carbon fiber paper	Electrochemical plating	2, 30, 98.7%	10, 30, 1000	Li—S(4.0 mg/cm²), 0.5C, 200(933 mA·h/g)	[32]
LiF@carbonized eggplant	Molten lithium infusion	1, 2.2, 100, 99.1%	1, 3, 250	LiCoO?, 0.2C, 80	[49]
ZnO@carbonized wood	Molten lithium infusion	—	3, 1, 225	—	[46]
ZnO quantum dots@ carbonized bamboo	Electrochemical plating	1, 1, 200, 96.8%	—	LiCoO₂, 0.5C, 160	[75]

Metal?base	Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/ (mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Ref.
Metal foam	Cu₂S nanowire@Cu foam	Electrochemical plating	1, 1, 500, 99.2%; 4, 4, 100, 98%	—	LiFePO₄(6.0 mg/cm²), 0.5C, 300	[77]
	Cu nanowire@Cu foam	Molten lithium infusion	—	10, 1, 200	LiFePO₄(7.5 mg/cm²), 2C, 400	[78]
	Cu nanowire@Li₂O@ Cu foam	Molten lithium infusion	1, 1, 300, 98.5%; 2, 2, 100, 93%	3, 1, 600	LiFePO₄, 1C, 500	[79]
	CuON nanoarray@Cu foam	Molten lithium infusion	0.5, 1, 200, 98.8%; 2, 1, 100, >98%	2, 1, 2100	LiFePO₄, 2C, 300	[80]
	CoO nanofiber@Ni foam	Molten lithium infusion	—	1, 1, 130	NCA, 4C, 500	[40]
	Co₃N nanobrush@Ni foam	Electrochemical plating	0.5, 1, 200, 98.3%	0.5, 1, 1600	LiFePO₄(2.5 mg/cm²), 0.5C, 600	[81]
	Nitrogen?doped graphdiyne nanowall@Cu foam	Molten lithium infusion	1, 1, 250, 98%; 5, 1, 150, 99.6%; 1, 5, 70, >99%	1, 1, 719	NCM, 0.2C, 440	[82]
	Vertically aligned ZnO nanosheets@Ni foam	Molten lithium infusion	1, 1, 150, 98.5%	1, 1, 400; 5, 1, 250	LiFePO₄, 0.5C, 100	[83]
	Cu?CuO@Ni foam	Molten lithium infusion	1, 1, 250, >95%; 3, 1, 100, >90%	0.5, 0.5, 580	—	[84]
	CuBr? and Br?doped graphene?like film@Ni foam	Molten lithium infusion	2, 2, 300, 98.9%	1, 1, 850	LiFePO₄(20.3 mg/cm²), 0.7 mA/cm², 200	[94]
Metal?base	Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/ (mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Ref.
	Restructured rimous Cu foam	Electrochemical plating	3, 1, 220, 98.8%	3, 1, 200	LiFePO₄, 1C, 330	[100]
	g?C₃N_4@Ni foam	Electrochemical plating	0.5, 1, 300, 98%; 1, 2, 140, 97%	1, 1, 900	LiCoO₂, 1C, 200	[91]
	AuLi_3@Ni foam	Molten lithium infusion	0.5, 1, 98%, 100	0.5, 1, 740	LiFePO₄, 1C, 500	[27]
Compact porous Cu	3D porous Cu	Electrochemical plating	1, 1, 140, >97%	0.2, 1, 1000	LiFePO₄, 0.5C, 300	[85]
	Compact 3D Cu	Electrochemical plating	1, 1, 200, 97.9%	1, 1, 400	LiFePO₄, 1C, 350	[86]
	3D porous Cu	Electrochemical plating	0.5, 1, 250, >98%	1, 1, 800	LiFePO₄, 2C, 200	[87]
	3D porous Cu	Electrochemical plating	0.52, 0.26, 120, ca. 81%	0.52, 0.26, 120	NCM, 50 mA/g, 300	[88]
	Zn@3D porous Cu	Electrochemical plating	0.5, 1, 220, 95%	1, 1, 450	—	[101]
	N?doped graphene@ compact porous Cu	Electrochemical plating	0.5, 4, 100, 97.8%	—	LiFePO₄(6.4 mg/cm²), 0.5C, 100	[92]
Cu mesh	Cu mesh	Mechanical press/ Electrochemical plating	0.5, 1, 100, 97.5%	0.5, 1, 230	Li₄Ti₅O₁₂, 4C, 500	[90]
	U?LDH?O@Cu mesh	Electrochemical plating	1, 6, 80, >95%	2, 1, 200	—	[98]
	Faceted Cu(100)@Cu mesh	Electrochemical plating	4, 1, 400, 97%	2, 1, 300	LiFePO₄, 1C, 120	[102]
	Cu nanowires network	Electrochemical plating	1, 2, 200, 98.6% (Average)	1, 2, 550	LiCoO₂, 5C, 100	[26]
Cu nanowires	Cu nanowire network with phosphidation gradient	Electrochemical plating	1, 1, 150, 97.4%	1, 1, 1000	LiFePO₄(3 mg/cm²), 0.5C, 300	[99]
	Cu₃P nanowires	Molten lithium infusion	1, 1, 200, 98%	2, 2, 450	LiFePO₄(9.4 mg/cm²), 1C, 700	[96]

Metal?base	Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/ (mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Ref.
Metal foam	Cu₂S nanowire@Cu foam	Electrochemical plating	1, 1, 500, 99.2%; 4, 4, 100, 98%	—	LiFePO₄(6.0 mg/cm²), 0.5C, 300	[77]
	Cu nanowire@Cu foam	Molten lithium infusion	—	10, 1, 200	LiFePO₄(7.5 mg/cm²), 2C, 400	[78]
	Cu nanowire@Li₂O@ Cu foam	Molten lithium infusion	1, 1, 300, 98.5%; 2, 2, 100, 93%	3, 1, 600	LiFePO₄, 1C, 500	[79]
	CuON nanoarray@Cu foam	Molten lithium infusion	0.5, 1, 200, 98.8%; 2, 1, 100, >98%	2, 1, 2100	LiFePO₄, 2C, 300	[80]
	CoO nanofiber@Ni foam	Molten lithium infusion	—	1, 1, 130	NCA, 4C, 500	[40]
	Co₃N nanobrush@Ni foam	Electrochemical plating	0.5, 1, 200, 98.3%	0.5, 1, 1600	LiFePO₄(2.5 mg/cm²), 0.5C, 600	[81]
	Nitrogen?doped graphdiyne nanowall@Cu foam	Molten lithium infusion	1, 1, 250, 98%; 5, 1, 150, 99.6%; 1, 5, 70, >99%	1, 1, 719	NCM, 0.2C, 440	[82]
	Vertically aligned ZnO nanosheets@Ni foam	Molten lithium infusion	1, 1, 150, 98.5%	1, 1, 400; 5, 1, 250	LiFePO₄, 0.5C, 100	[83]
	Cu?CuO@Ni foam	Molten lithium infusion	1, 1, 250, >95%; 3, 1, 100, >90%	0.5, 0.5, 580	—	[84]
	CuBr? and Br?doped graphene?like film@Ni foam	Molten lithium infusion	2, 2, 300, 98.9%	1, 1, 850	LiFePO₄(20.3 mg/cm²), 0.7 mA/cm², 200	[94]
Metal?base	Current collector	Method for loading lithium	Half cell performance [current density/ (mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h, CE］	Symmetry cell performance [current density/(mA·cm^-2), areal capacity/ (mA·h·cm^-2), cycle number/h]	Full cell performance (cathode, rate performance and lifespan)	Ref.
	Restructured rimous Cu foam	Electrochemical plating	3, 1, 220, 98.8%	3, 1, 200	LiFePO₄, 1C, 330	[100]
	g?C₃N_4@Ni foam	Electrochemical plating	0.5, 1, 300, 98%; 1, 2, 140, 97%	1, 1, 900	LiCoO₂, 1C, 200	[91]
	AuLi_3@Ni foam	Molten lithium infusion	0.5, 1, 98%, 100	0.5, 1, 740	LiFePO₄, 1C, 500	[27]
Compact porous Cu	3D porous Cu	Electrochemical plating	1, 1, 140, >97%	0.2, 1, 1000	LiFePO₄, 0.5C, 300	[85]
	Compact 3D Cu	Electrochemical plating	1, 1, 200, 97.9%	1, 1, 400	LiFePO₄, 1C, 350	[86]
	3D porous Cu	Electrochemical plating	0.5, 1, 250, >98%	1, 1, 800	LiFePO₄, 2C, 200	[87]
	3D porous Cu	Electrochemical plating	0.52, 0.26, 120, ca. 81%	0.52, 0.26, 120	NCM, 50 mA/g, 300	[88]
	Zn@3D porous Cu	Electrochemical plating	0.5, 1, 220, 95%	1, 1, 450	—	[101]
	N?doped graphene@ compact porous Cu	Electrochemical plating	0.5, 4, 100, 97.8%	—	LiFePO₄(6.4 mg/cm²), 0.5C, 100	[92]
Cu mesh	Cu mesh	Mechanical press/ Electrochemical plating	0.5, 1, 100, 97.5%	0.5, 1, 230	Li₄Ti₅O₁₂, 4C, 500	[90]
	U?LDH?O@Cu mesh	Electrochemical plating	1, 6, 80, >95%	2, 1, 200	—	[98]
	Faceted Cu(100)@Cu mesh	Electrochemical plating	4, 1, 400, 97%	2, 1, 300	LiFePO₄, 1C, 120	[102]
	Cu nanowires network	Electrochemical plating	1, 2, 200, 98.6% (Average)	1, 2, 550	LiCoO₂, 5C, 100	[26]
Cu nanowires	Cu nanowire network with phosphidation gradient	Electrochemical plating	1, 1, 150, 97.4%	1, 1, 1000	LiFePO₄(3 mg/cm²), 0.5C, 300	[99]
	Cu₃P nanowires	Molten lithium infusion	1, 1, 200, 98%	2, 2, 450	LiFePO₄(9.4 mg/cm²), 1C, 700	[96]

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[7]	HUANG Zong-Hao, KAN Yu-He, XU Dong, MA Shu-Rong, YANG Gui-Xia, MENG Su-Ci, SU Zhong-Min. Theoretical Studies on the Charge and Discharge Processes of Graphite Cathode with DFT Method [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2005, 26(12): 2289.
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