清華大學(xué)(Tsinghua University)的研究人員最近發(fā)現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(cháng)，進(jìn)一步提升其電化學(xué)性能。
“目前廣泛使用的鋰離子電池越來(lái)越難以滿(mǎn)足便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)車(chē)(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(yáng)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(xué)化學(xué)工程系副教授張強表示。
“然而，在連續的循環(huán)下，鋰金屬的實(shí)際應用受到鋰枝晶生長(cháng)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(cháng)以及固體電解質(zhì)接口不穩定都會(huì )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(guò)程示意圖
Source：中國清華大學(xué)化學(xué)工程系
為了緩解枝晶的生長(cháng)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種方法了，包括調整電解液、采用人造固體電解質(zhì)接口層與電極結構等。
“我們發(fā)現，藉由大量減少局部電流密度，就能有效抑制鋰枝晶的生長(cháng)。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(yáng)極。結 果顯示這是一種十分有效的方法，”清華大學(xué)化學(xué)工程博士研究生兼該研究的主要作者Rui Zhang解釋?zhuān)?ldquo;此外，我們采用雙鹽電解液，取得更穩定且更靈活的固態(tài)電解質(zhì)接口，以避免鋰金屬與電解液進(jìn)一步發(fā)生反應。”
基于石墨烯的陽(yáng)極帶來(lái)多方面的進(jìn)展， 包括1666 m2g-1的較大比表面積帶來(lái)石墨烯陽(yáng)極表面的超低局部電流密度(僅有采用銅箔陽(yáng)極時(shí)的萬(wàn)分之一)，同時(shí)抑制了枝晶的生長(cháng)，從而帶來(lái)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(yáng)極還可提供4.0mAh mg-1的高穩定循環(huán)性能，比鋰離子電池中的石墨烯陽(yáng)極(0.372 mAh mg-1)更高10倍。
該陽(yáng)極并展現高導電性(435 S cm-1)，帶來(lái)較低的接口阻抗、穩定的充/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(yáng)極帶來(lái)了超低的局部電流密度，這將有助于提高鋰金屬陽(yáng)極的穩定度與電化學(xué)性能，”該研究的另一名作者Xin-Bing Cheng表示。相關(guān)研究成果已發(fā)表于最新一期的《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)期刊中。
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