清華大學(Tsinghua University)的研究人員最近發(fā)現(xiàn)一種基于石墨烯納米結構的鋰金屬電極材料，可用于抑制鋰金屬電池中的枝晶生長，進一步提升其電化學性能。
“目前廣泛使用的鋰離子電池越來越難以滿足便攜式電子產品和電動車(EV)日益增加的儲能要求。諸如鋰硫電池(Li-S)與鋰空氣電池(Li-air)等新的鋰離子金屬陽極電池也都十分受歡迎。鋰金屬電池提供極高的理論性能，幾乎比石墨烯更多10倍的能量，”清華大學化學工程系副教授張強表示。
“然而，在連續(xù)的循環(huán)下，鋰金屬的實際應用受到鋰枝晶生長的強烈干擾，甚至引發(fā)對于安全的顧慮。鋰枝晶可能導致電池內部短路引發(fā)起火。再者，鋰枝晶的形成也使得循環(huán)效率降低。”
枝晶生長以及固體電解質接口不穩(wěn)定都會消耗大量的鋰和電解液，導致不可逆的電池容量損失。
鋰在石墨烯薄層上的沉積/剝離過程示意圖
Source：中國清華大學化學工程系
為了緩解枝晶的生長，目前已經開發(fā)出幾種方法了，包括調整電解液、采用人造固體電解質接口層與電極結構等。
“我們發(fā)現(xiàn)，藉由大量減少局部電流密度，就能有效抑制鋰枝晶的生長。根據這樣的概念，我們采用具有超高比表面積的非堆棧石墨烯材料，打造出納米結構的陽極。結 果顯示這是一種十分有效的方法，”清華大學化學工程博士研究生兼該研究的主要作者Rui Zhang解釋，“此外，我們采用雙鹽電解液，取得更穩(wěn)定且更靈活的固態(tài)電解質接口，以避免鋰金屬與電解液進一步發(fā)生反應。”
基于石墨烯的陽極帶來多方面的進展， 包括1666 m2g-1的較大比表面積帶來石墨烯陽極表面的超低局部電流密度(僅有采用銅箔陽極時的萬分之一)，同時抑制了枝晶的生長，從而帶來均勻的鋰沉積形態(tài)。
由于非堆棧石墨烯的高孔隙容量(1.65cm2 g-1)，這種陽極還可提供4.0mAh mg-1的高穩(wěn)定循環(huán)性能，比鋰離子電池中的石墨烯陽極(0.372 mAh mg-1)更高10倍。
該陽極并展現(xiàn)高導電性(435 S cm-1)，帶來較低的接口阻抗、穩(wěn)定的充/放電性能，以及高循環(huán)效率。
“具有高比表面積的導電納米結構陽極帶來了超低的局部電流密度，這將有助于提高鋰金屬陽極的穩(wěn)定度與電化學性能，”該研究的另一名作者Xin-Bing Cheng表示。相關研究成果已發(fā)表于最新一期的《先進材料》(Advanced Materials)期刊中。
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