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随着科技的迅猛发展，电动汽车、无人机、仿人机器人、智能电子产品等高能耗设备的需求不断增加。然而，这些设备需要高能量密度和高功率密度的便携式电源，而且要求环保和可再生能源。环境问题和化石燃料的有限性已经迫使人们积极寻求可再生能源，如太阳能和生物质能。可再生能源的利用需要大规模电网系统，以确保能源供应的稳定性，并提供备用方案以应对能源供应的不稳定性。在这一背景下，开发大规模可扩展的移动储能装置（ESD）成为一项具有高度现实意义的任务。
锂离子电池（LIBs）由于其高能量、无记忆效应和高往返能效等特点，已经广泛应用于通讯电子设备、电网系统等多个领域。然而，由于其活性正极材料受到重金属的限制，锂离子电池的容量已达到极限。因此，使用金属锂作为高能量活性阳极材料成为一种可行的解决方案，因为金属锂的理论容量高达38,000mAh/g，而且氧化还原电位较低。然而，金属锂作为阳极材料面临一系列挑战，包括电解液的持续损耗、库仑效率的降低、电池极化等问题。根据扩散控制模型，金属枝晶的形成受电极附近锂离子浓度的影响，而锂离子浓度又取决于电流密度。随着电流密度的增加，金属枝晶的生长加快，尤其在高浓度锂离子通量的热点区域。此外，在活性位点数量有限的情况下，金属沉积不均匀，导致锂枝晶的形成。
为了克服这些问题，科学家们提出了多种策略，重点是通过电极材料的精心设计来增加金属成核活性位点，并维持锂离子的稳定供应。这些电极材料可以分为金属基、碳基和金属/碳混合材料。金属基电极材料采用多种方式来引导锂金属的均匀沉积，包括高锂离子导电层的形成、亲锂化合物的形成、活性成核点的诱导以及有效表面积的增加。值得注意的是，制备电极系统的方法多种多样，但它们都包括三维结构，通过提供高有效表面积以减缓金属枝晶的生长，从而提高电化学性能。
然而，电极材料的设计不足以实现电极表面的均匀锂离子通量，导致金属枝晶的形成。在许多情况下，锂金属首先沉积在阳极/分隔层界面，这被称为"顶部生长"模式。为了解决这个问题，科学家们引入了梯度结构，如导电性和亲锂性梯度，以调节沉积过程，确保锂金属从电极底层开始均匀沉积。这种方法取得了显著的成功，确保锂金属的稳定沉积和剥离，提高了库仑效率。
总的来说，电极材料的设计和结构控制是实现锂金属电池高性能的关键因素。虽然有一些挑战需要克服，如电极材料的成本、稳定性和均匀性，但随着科技的不断发展，可以预见三维结构电极材料将在未来的锂金属电池中发挥更大的作用，为我们提供更高能量密度和更可持续的能源解决方案。
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