研究人員提出制造3D高性能鋰金屬負(fù)極的方法 具有成本效益

據(jù)外媒報(bào)道，在《電化學(xué)學(xué)報(bào)》（Electrochimica Acta）上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，北京化工大學(xué)和北京航空航天大學(xué)的研究人員提出了一種可擴(kuò)展且具有成本效益的技術(shù)，用于制造高效的三維結(jié)構(gòu)鋰金屬負(fù)極，為研究鋰金屬和潛在的其他金屬負(fù)極開(kāi)辟了新途徑。

（圖片來(lái)源：sciencedirect）

電極“圣杯”

隨著筆記本電腦、手機(jī)和電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，人們對(duì)高能量密度、長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能解決方案的需求日益增長(zhǎng)。鋰金屬負(fù)極具有卓越的比容量，而且重量輕、反應(yīng)電位小，被視為未來(lái)鋰電池電極材料的“圣杯”。然而，鋰金屬負(fù)極存在鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，使其商業(yè)化進(jìn)程放緩。

使用鋰金屬電極的缺點(diǎn)

鋰枝晶生長(zhǎng)可能導(dǎo)致若干問(wèn)題，比如穿透隔膜并接觸正極，從而導(dǎo)致短路。

鋰金屬和電解質(zhì)之間相互作用，會(huì)持續(xù)消耗活性鋰金屬物質(zhì)和電解質(zhì)，顯著降低庫(kù)侖效率。在循環(huán)過(guò)程中，鋰枝晶會(huì)從鋰片上脫落，留下一層“死”的鋰鍍層。這會(huì)影響庫(kù)侖效率，增加鋰電池內(nèi)部電阻，從而降低循環(huán)效率。

在鋰金屬電池中，每個(gè)剝離或電鍍過(guò)程的體積變化是沒(méi)有限制的。因此，在實(shí)際使用鋰金屬負(fù)極時(shí)，最緊迫的挑戰(zhàn)是充分控制枝晶生長(zhǎng)，延長(zhǎng)鋰電池的循環(huán)壽命。

解決枝晶問(wèn)題的不同方法

最近，人們采用不同的方法來(lái)制造鋰金屬負(fù)極的骨架物質(zhì)，以抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，并能承受較大的體積波動(dòng)。充分開(kāi)發(fā)固體電解質(zhì)界面（SEI）片材，優(yōu)化電解質(zhì)構(gòu)成，以及進(jìn)行鋰金屬負(fù)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都是解決鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題的有效方法。

制造合成SEI片材是一種控制枝晶生長(zhǎng)的技術(shù)，可以提高鋰剝離/電鍍的效率。然而，由于鋰金屬固有的無(wú)宿主特性，顯著的體積增長(zhǎng)，可能使內(nèi)應(yīng)力不斷積聚，導(dǎo)致SEI薄片在多次循環(huán)中破碎。

近年來(lái)，在解決鋰枝晶生長(zhǎng)和體積變化方面，開(kāi)發(fā)鋰金屬負(fù)極骨架被視為一種成功的方法。這種鋰金屬負(fù)極架構(gòu)設(shè)計(jì)能夠降低電流密度和體積增長(zhǎng)，抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，從而提高鋰金屬負(fù)極的有效性。

多孔鋰宿主

采用石墨烯、碳纖維、金屬氧化物、MXenes（二維過(guò)渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物）和具有納米工程結(jié)構(gòu)的金屬多孔宿主，可以形成有效的三維高孔隙率鋰負(fù)極骨架，提高鋰金屬?gòu)?fù)合負(fù)極在高電流密度和大容量下的循環(huán)穩(wěn)定性。

此外，加入金屬原子，能夠提高材料對(duì)鋰的吸附能，使鋰金屬均勻形核和沉積；并提供大量的活性點(diǎn)來(lái)吸引鋰離子，提高電化學(xué)性能。

此項(xiàng)研究的主要發(fā)現(xiàn)

本研究采用了一種新穎的原位生長(zhǎng)方法，構(gòu)建帶有鐵納米顆粒的多孔碳納米纖維載體骨架（PCNF-Fe），使基符合優(yōu)化鋰金屬?gòu)?fù)合電極的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

PCNF-Fe基層比表面積大，具有較高的親油性，可以成功降低鋰成核過(guò)電位，為鋰離子提供豐富的成核活性點(diǎn)。這種三維、高孔隙率的導(dǎo)電骨架，能夠促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，有效降低局域電流密度，從而阻止鋰枝晶生成和生長(zhǎng)。

富含氧和氮的碳骨架，對(duì)鋰離子具有更強(qiáng)的吸引力，可以促進(jìn)鋰均勻成核。這種多孔宿主具有開(kāi)放的孔隙，能夠承受循環(huán)過(guò)程中固有的體積波動(dòng)，并傳輸鋰離子。

對(duì)稱性電芯評(píng)估顯示出色的循環(huán)穩(wěn)定性和卓越的庫(kù)侖效率。根據(jù)密度泛函理論模擬，包覆鐵納米粒子的碳納米纖維更容易吸收鋰原子，使鋰沉積更均勻。

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