近日，清華大學化工系張強教授課題組在能源領域知名期刊《焦耳》（Joule）上發(fā)表了論文《用于金屬鋰電池的珊瑚狀碳纖維基復合鋰金屬負極》（Coralloid Carbon Fiber-Based Composite Lithium Anode for Robust Lithium Metal Batteries），報道了課題組在高安全高容量的復合鋰金屬負極領域的研究取得的重要進展。該研究被《焦耳》選為本期封面文章，并刊登了封面圖片。
金屬鋰具有極高的理論比容量和最低的氧化還原電極電勢，因而成為了下一代高能量密度儲能電池（下一代固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰空電池等）最理想的負極材料。然而，金屬鋰充放電過程中的枝晶問題和鋰與電解質界面膜的不穩(wěn)定性嚴重降低了鋰金屬電池的循環(huán)效率，縮短了電池的使用壽命，甚至帶來了一定程度的安全隱患，嚴重阻礙了鋰金屬電池的發(fā)展。
封面圖片采用隱喻的方式表述“復合鋰金屬負極”設計思想，基于親鋰碳纖維的復合鋰金屬負極比喻成船，能夠在熔融鋰的“海洋”中穩(wěn)定航行。
最近，研究者們提出了諸多基于導電碳骨架或金屬骨架的金屬鋰負極。然而，很多此類骨架并未預先復合金屬鋰，而是作為無鋰集流體進行半電池測試。這樣的無鋰集流體難以直接應用到全電池中。因此，如何高效地將金屬鋰預先復合到集流體結構中、形成可直接裝配為全電池的高性能復合鋰金屬負極成為了研究的重點。
清華大學張強教授研究團隊針對金屬鋰電池對于復合電極的迫切需求，提出一種珊瑚狀碳纖維熔融灌鋰的復合鋰金屬負極。采用電鍍銀涂層的方法將碳纖維骨架（CF）的表面改性為親鋰表面，進而可使液態(tài)熔融金屬鋰能夠迅速吸入具有銀涂層的碳纖維骨架（CF/Ag），從而制得高性能的復合鋰金屬負極（CF/Ag-Li）。
銀鍍層一方面可使任何導電骨架改性為可虹吸液態(tài)熔融鋰的親鋰導電骨架，另一方面還可以降低金屬鋰的沉積過電勢，獲得高倍率下優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和無枝晶無“死鋰”的循環(huán)形貌。通過原位金屬鋰沉積實驗觀察，發(fā)現(xiàn)在該復合結構中難以形成枝晶。所提出的復合鋰金屬負極可以在10 mA cm-2和10 mAh cm-2的極端苛刻條件下以很低的極化穩(wěn)定循環(huán)超過160圈。相比常規(guī)金屬鋰負極，該復合鋰金屬負極能夠承受極端的面電流密度和面容量循環(huán)，表現(xiàn)出高安全性特征。
珊瑚狀碳纖維熔融灌鋰的復合鋰金屬負極
該復合金屬鋰負極與硫正極和磷酸鐵鋰正極等直接裝配為性能優(yōu)異的鋰硫電池和磷酸鐵鋰電池。其磷酸鐵鋰電池可在1.0 C倍率下穩(wěn)定循環(huán)超過500圈，而鋰硫電池在0.5 C下的初始放電容量可達781 mAh g-1，并保持高容量循環(huán)超過400圈。該工作的導電骨架鍍銀灌鋰方法可普適于任何基于導電骨架的復合金屬鋰負極設計與制備，其鍍銀層可實現(xiàn)高效的預置金屬鋰復合，并實現(xiàn)無枝晶、無“死鋰”的循環(huán)容貌，進而獲得在鋰硫電池等全電池體系中優(yōu)異的電化學性能，提升了儲能系統(tǒng)系統(tǒng)的安全性。
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