大連化物所吳忠?guī)浾n題組EnSM：3D打印超高面能量密度鋰金屬電池的理性設(shè)計(jì)

【研究背景】

鋰金屬電池因金屬鋰負(fù)極具有高理論比容量（3860mAh/g）和低氧化還原電壓（-3.04Vvs.SHE）而被認(rèn)為是下一代高能量電池。然而，由于其存在不可控的鋰枝晶、死鋰，以及充放電過(guò)程鋰金屬體積膨脹等問(wèn)題，導(dǎo)致鋰金屬循環(huán)性能差，安全性能低，限制了鋰金屬負(fù)極在高比能鋰金屬電池中的實(shí)際應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的刮涂法制備出的正極活性物質(zhì)載量有限（20mg/cm2），面積容量往往低于4mAh/cm2，使得鋰金屬電池的面積能量密度較低。因此，如何同時(shí)獲得穩(wěn)定的無(wú)枝晶鋰負(fù)極和匹配的高載量正極，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命和高能量密度的鋰金屬電池，面臨很大挑戰(zhàn)。

【工作介紹】

近日，中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組，吳忠?guī)浹芯繂T和鄭雙好副研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了3D打印Ti3C2TxMXene框架沉積鋰金屬負(fù)極與超厚磷酸鐵鋰框架正極，構(gòu)筑出高面積能量密度、長(zhǎng)壽命鋰金屬電池。MXene導(dǎo)電骨架的親鋰特性能夠調(diào)節(jié)局部電流分布，均勻化鋰成核與沉積，形成均勻的富LiF固體電解質(zhì)界面層和穩(wěn)定的鋰/電解質(zhì)界面，實(shí)現(xiàn)了高容量（30mAh/cm2）、高穩(wěn)定（＞4800h循環(huán)）且無(wú)枝晶的鋰金屬負(fù)極。3D打印磷酸鐵鋰電極（載量171mg/cm2）具有三維多孔導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了電子傳輸動(dòng)力學(xué)速率，降低了厚電極中的離子傳輸距離，提高了活性材料的利用率，從而有效地提高了鋰金屬電池的電化學(xué)性能。所匹配的鋰金屬全電池（鋰負(fù)極過(guò)量50%）表現(xiàn)出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度，遠(yuǎn)高于目前文獻(xiàn)中報(bào)道值。該文章發(fā)表在國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials上。大連化物所博士研究生馬佳鑫為本文第一作者。

【內(nèi)容表述】

3D打印鋰金屬電池的過(guò)程如圖1所示，通過(guò)逐層打印Ti3C2TxMXene框架沉積鋰金屬與超厚磷酸鐵鋰正極，構(gòu)筑出高面積能量密度、長(zhǎng)壽命鋰金屬電池。

圖1.3D打印組裝鋰金屬電池。

所制備的3D打印MXene油墨（~300mg/mL）表現(xiàn)出高粘度及流變剪稀的特性，可定制化打印幾何圖案以及實(shí)現(xiàn)多層打印電極。所打印的MXene電極表現(xiàn)出多孔框架結(jié)構(gòu)，形成良好的電子/離子傳輸通道。

圖2.MXene墨水及打印電極表征。

鋰對(duì)稱(chēng)電池(MXene@Li//MXene@Li)表現(xiàn)出高的庫(kù)倫效率（＞98%），MXene框架顯著提高了金屬鋰負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性（4800h），遠(yuǎn)高于目前文獻(xiàn)中報(bào)道值。MXene導(dǎo)電骨架不僅實(shí)現(xiàn)了高倍率沉積金屬鋰，而且在高電流密度（30mA/cm2）下仍表現(xiàn)出平坦的電壓曲線(xiàn)。在電流密度為4mA/cm2時(shí)，MXene框架表現(xiàn)出超高容量（80mAh/cm2）。

圖3.MXene電極沉積金屬鋰電化學(xué)性能。

MXene導(dǎo)電骨架的親鋰特性能夠調(diào)節(jié)局部電流分布，均勻化鋰成核，形成均勻的富LiF固體電解質(zhì)界面層和穩(wěn)定的鋰/電解質(zhì)界面，抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，從而能在高容量和高電流密度下具有穩(wěn)定的循環(huán)性能。

圖4.MXene沉積金屬鋰組分與形貌表征。

通過(guò)構(gòu)筑不同導(dǎo)電單元的墨水，發(fā)現(xiàn)由二維石墨烯、一維碳納米管、零維乙炔黑與活性材料形成的三維導(dǎo)電框架表現(xiàn)出高的電導(dǎo)率。值得注意的是，多孔電極可以縮短離子擴(kuò)散路徑，有利于實(shí)現(xiàn)高的面積能量密度。通過(guò)多層打印制備的超厚電極（171mg/cm2）表現(xiàn)出超高的面容量（25.3mAh/cm2）、面能量密度（81.6mWh/cm2）及長(zhǎng)循環(huán)性能。

圖5.MXene@Li||LFP全電池電化學(xué)性能。

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