鋰金屬由于極高的容量（3860 mA h g-1）和最負(fù)的電勢（3.040 V vs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極），一直被認(rèn)為是最理想的鋰電池負(fù)極材料。早在20世紀(jì)70年代，鋰金屬一次電池由于其高能量密度已被廣泛應(yīng)用于可植入醫(yī)療設(shè)備、航天航空以及油田勘探等。然而，在可充放電的二次電池中，鋰金屬表面的鋰枝晶生長引起的一系列問題，如循環(huán)穩(wěn)定性差和引起電池短路的安全性問題，使得其在二次電池中的應(yīng)用受到了限制。實(shí)現(xiàn)電能高效利用的基礎(chǔ)是具備高能量密度存儲(chǔ)系統(tǒng)，然而目前鋰離子電池的能量密度已經(jīng)無法滿足未來能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求。具有高能量密度的鋰金屬電池重新回到研究者的視線。特別地，近幾年有關(guān)鋰-硫電池、鋰-空氣電池中的硫和空氣正極的研究已取得了重要進(jìn)展，這使得研發(fā)高循環(huán)穩(wěn)定性和高安全性的鋰金屬負(fù)極更加迫切。
? 抑制鋰金屬負(fù)極表面的鋰枝晶生長是實(shí)現(xiàn)高能量密度鋰金屬電池，包括鋰-硫電池、鋰-空電池商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。鋰枝晶是由于鋰金屬負(fù)極表面鋰離子和電子密度的空間分布不均而導(dǎo)致的鋰離子不均勻沉積產(chǎn)生的。傳統(tǒng)的研究思路是通過電解液添加劑以及人工構(gòu)筑固體電解液界面膜來抑制鋰金屬表面的鋰枝晶生長。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授研究團(tuán)隊(duì)姚宏斌教授課題組從納米材料組裝體的構(gòu)筑出發(fā)，利用銅納米線三維網(wǎng)絡(luò)組裝體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅箔集流體實(shí)現(xiàn)了鋰離子在負(fù)極的均勻分布，顯著提升了鋰金屬負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)采用三維銅納米線網(wǎng)絡(luò)作為集流體，一方面，由于其具有較大比表面積和貫通孔道，可以極大的減小鋰離子空間分布密度，使鋰離子分布均勻性顯著提高；另一方面，銅納米線良好的電導(dǎo)性，使電子能在整個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)里更均勻快速的傳輸。均勻的鋰離子分布和電子傳輸，使得鋰金屬沉積有效地發(fā)生在銅納米線表面，并被限制在三維網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部孔道中，極大的抑制了鋰枝晶的生長。
該研究表明，基于銅納米線組裝體的三維納米網(wǎng)絡(luò)集流體實(shí)現(xiàn)了鋰離子沉積過程中的空間均勻分布，抑制了枝晶生長，從而獲得高安全性和長壽命的鋰金屬負(fù)極。在傳統(tǒng)的調(diào)控電解液組分和固態(tài)電解質(zhì)界面膜抑制枝晶研究的基礎(chǔ)上，納米組裝體集流體設(shè)計(jì)為高效抑制鋰枝晶生長提供了一個(gè)新思路。同時(shí)，這種納米組裝體集流體不僅會(huì)在鋰-硫電池和鋰-空電池中發(fā)揮重要作用，還將在固態(tài)鋰金屬電池中具有潛在的應(yīng)用前景。相關(guān)工作發(fā)表在Nano Letter 2016, 16 , 4431–4437, 被選為Most Read Articles。論文的第一作者是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系博士生盧磊磊。
該研究工作受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)基金、國家青年人才計(jì)劃、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的支持。
相關(guān)文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01581。
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，科研部）
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