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國(guó)家納米中心在鋰金屬電池負(fù)極研究方面取得進(jìn)展

2022-02-15 10:54  來(lái)源:國(guó)家納米科學(xué)中心  瀏覽:  

金屬鋰具有極高的理論比容量(3860 mAh/g,相當(dāng)于商業(yè)化鋰電池石墨負(fù)極的十倍)和極低的電化學(xué)反應(yīng)電位,是一種極具前景的新一代儲(chǔ)能電池(鋰硫、鋰空、固態(tài)金屬電池等)負(fù)極材料。然而,以金屬鋰作為負(fù)極存在相互牽制的挑戰(zhàn),包括充放電過(guò)程中的鋰枝晶生長(zhǎng)、固態(tài)電解質(zhì)界面膜不穩(wěn)定性及伴隨的巨大體積變化等,不僅降低電池效率、縮短使用壽命,還帶來(lái)不可忽視的安全隱患,長(zhǎng)期制約其實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)上述難題,各種方案已被廣泛示范,如電解液成分的調(diào)控、人工界面膜的引入、三維集流體的構(gòu)建等。然而,面向?qū)嶋H應(yīng)用及超厚電極電池發(fā)展需求,在高面負(fù)載和高電流密度下實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定循環(huán)仍極具挑戰(zhàn)性。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員李祥龍一直致力于儲(chǔ)能雜化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程、構(gòu)效關(guān)系及應(yīng)用探索,包括鋰離子及鋰金屬電池。最近,由葉脈獲得啟示,李祥龍及其團(tuán)隊(duì)提出一種宿主空間調(diào)制策略,采用木頭碳化和化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出一類具有自支撐三維結(jié)構(gòu)的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列(CTC),用于鋰金屬?gòu)?fù)合負(fù)極。該三維宿主材料模仿葉脈中的“協(xié)作分工”,一方面,低迂曲度碳質(zhì)微溝道不僅可容納充放電過(guò)程中的體積變化,還提供長(zhǎng)程范圍內(nèi)鋰離子的均勻、直接和快速輸運(yùn)通道;另一方面,均勻覆蓋的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)通過(guò)強(qiáng)的毛細(xì)作用提高電解液親和力,從而作為局部?jī)?chǔ)液池,促進(jìn)鋰離子在短程范圍內(nèi)的均勻分布和沉積。

基于碳質(zhì)微溝道和碳納米纖維的空間協(xié)同及鋰離子輸運(yùn)和分布的分工協(xié)作,CTC可承受極端的面負(fù)載和面電流密度,在不同高面負(fù)載和高電流密度下(分別高達(dá)40 mAh/cm2和40 mA/cm2)表現(xiàn)出高的鋰沉積效率及循環(huán)穩(wěn)定性,且兼具高安全特征。比如,其在電流密度為10 mA/cm2和面容量為30 mAh/cm2的極端苛刻條件下可以以很低的極化、無(wú)枝晶、穩(wěn)定地循環(huán)1080圈以上,基于CTC和鈷酸鋰正極組裝的全電池在商業(yè)水平的負(fù)載條件下(3.4 mAh/cm2)循環(huán)200圈后容量保持率仍高達(dá)86%(400圈為79%)。上述研究為高性能鋰及其他金屬負(fù)極的設(shè)計(jì)、構(gòu)建及應(yīng)用提供了一種新思路和新途徑。

該項(xiàng)工作以Spatially Hierarchical Carbon Enables Superior Long-Term Cycling of Ultrahigh Areal Capacity Lithium Metal Anodes為題于2月11日發(fā)表在Matter上。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院等的支持。


碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、制備及性能

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