圖：具有多級結(jié)構(gòu)的銀納米線-石墨烯三維多孔載體抑制鋰枝晶生長機理

金屬鋰本身由于其極高的比容量和極好導(dǎo)電性，對于未來的高能量密度、高倍率電池來說，是一種極其有潛力的負極材料。但是金屬鋰電池的發(fā)展嚴重受制于鋰枝晶的產(chǎn)生。枝晶不僅會斷裂導(dǎo)致電池容量衰減，還可能刺透隔膜使電池短路引發(fā)嚴重安全問題。隨著便攜式電子設(shè)備及電動汽車的快速發(fā)展，人們除了追求鋰電池的大容量和充放電速度外，更關(guān)心的是鋰電池的安全性。

近日，南開大學(xué)梁嘉杰課題組、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學(xué)的賴超課題組，提出了解決這一問題的優(yōu)化策略，基于此策略他們成功制備具有多級結(jié)構(gòu)的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，并負載金屬鋰作為金屬鋰復(fù)合負極材料。相關(guān)成果發(fā)表在《先進材料》(論文詳見：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201804165)上。

“金屬鋰由于具有很高的理論容量以及低的電化學(xué)電位，因此被認為是最理想的鋰二次電池的負極材料，在工業(yè)上具有廣泛應(yīng)用前景。但是，在充放電過程中鋰枝晶以及死鋰的形成，電極體積極大的收縮和膨脹，以及固體電解質(zhì)相界面膜的不穩(wěn)定性是造成金屬鋰負極材料的循環(huán)壽命短、安全性差等問題的主要原因。”梁嘉杰介紹。

近年來，也有不少相關(guān)研究在鋰負極材料的設(shè)計合成上取得重要突破，但是仍然無法抑制金屬鋰在大電流密度充放電下枝晶生長以及電極體積膨脹的問題，因此依然難以實現(xiàn)鋰電池的長壽命、大容量的“快充快放”。“把金屬鋰沉積到具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔集流體中構(gòu)建金屬鋰復(fù)合負極材料，是目前解決上述困難的有效途徑之一。”梁嘉杰說。

基于此認識，三課題組首先提出了實現(xiàn)超高電流密度及超長循環(huán)壽命的理想的金屬鋰負極三維載體的材料選擇及優(yōu)化的五點基本要求，包括：與金屬鋰具有等于零或者接近零的結(jié)晶過電勢；具有連續(xù)的超高導(dǎo)電性；具有大的比表面積以及均勻分布的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；具有優(yōu)異機械強度和電化學(xué)穩(wěn)定性的多孔結(jié)構(gòu)；具有優(yōu)異的機械韌性。在此基礎(chǔ)上，他們利用石墨烯宏觀體三維網(wǎng)絡(luò)作為機械骨架，銀納米線二維網(wǎng)絡(luò)作為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，通過低成本，與工業(yè)化生產(chǎn)相兼容的涂布-冷干法，制備具有多級結(jié)構(gòu)的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，并負載金屬鋰作為金屬鋰復(fù)合負極材料。

經(jīng)測試，該金屬鋰復(fù)合負極材料的比容量可達2573mAh/g；對稱電池測試中，首次實現(xiàn)在極高的電流密度40mAh/cm2下反復(fù)充放電1000周以上，并且過電勢低于120mV。通過電鏡觀察可以看到，該多級三維結(jié)構(gòu)載體即使在極大電流充放電的循環(huán)條件下，仍能成功抑制金屬鋰負極中鋰枝晶的生長以及電極體積的變化。該團隊進一步與NCM523正極材料組裝了具有優(yōu)異的倍率性能以及高倍率循環(huán)穩(wěn)定性的全電池。

“未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化該具有多級三維結(jié)構(gòu)的鋰負極載體的機械性能，進一步提電極材料在快速沖放狀態(tài)下的沖放容量，爭取早日實現(xiàn)具有超高能量密度以及功率密度的金屬鋰負極材料。”梁嘉杰說。