中國清華大學(xué)(Tsinghua University)的研究人員最近發(fā)表一種基于石墨烯納米結(jié)構(gòu)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(xué)性能。
“目前廣泛使用的鋰離子電池越來越難以滿足可攜式電子產(chǎn)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(xué)化學(xué)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(yīng)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(dǎo)致電池內(nèi)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(zhì)接口不穩(wěn)定都會消耗大量的鋰和電解液，導(dǎo)致不可逆的電池容量損失。
鋰在石墨烯薄層上的沈積/剝離過程示意圖（來源：中國清華大學(xué)化學(xué)工程系）
為了緩解枝晶的生長，目前已經(jīng)開發(fā)出幾種方法了，包括調(diào)整電解液、采用人造固體電解質(zhì)接口層與電極結(jié)構(gòu)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(jù)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(jié)構(gòu)的陽極。結(jié) 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，“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(zhì)接口，以避免鋰金屬與電解液進一步發(fā)生反應(yīng)。”
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，從而帶來均勻的鋰沈積形態(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(dǎo)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(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)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(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《先進材料》(Advanced Materials)期刊中。
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