金屬鋰本身由于其極高的比容量和極好導(dǎo)電性，對(duì)于未來的高能量密度、高倍率電池來說，是一種極其有潛力的負(fù)極材料。但是金屬鋰電池的發(fā)展嚴(yán)重受制于鋰枝晶的產(chǎn)生。枝晶不僅會(huì)斷裂導(dǎo)致電池容量衰減，還可能刺透隔膜使電池短路引發(fā)嚴(yán)重安全問題。隨著便攜式電子設(shè)備及電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，人們除了追求鋰電池的大容量和充放電速度外，更關(guān)心的是鋰電池的安全性。

近日，南開大學(xué)梁嘉杰課題組、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學(xué)的賴超課題組，提出了解決這一問題的優(yōu)化策略，基于此策略他們成功制備具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，并負(fù)載金屬鋰作為金屬鋰復(fù)合負(fù)極材料。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》。

“金屬鋰由于具有很高的理論容量以及低的電化學(xué)電位，因此被認(rèn)為是zui理想的鋰二次電池的負(fù)極材料，在工業(yè)上具有廣泛應(yīng)用前景。但是，在充放電過程中鋰枝晶以及死鋰的形成，電極體積極大的收縮和膨脹，以及固體電解質(zhì)相界面膜的不穩(wěn)定性是造成金屬鋰負(fù)極材料的循環(huán)壽命短、安全性差等問題的主要原因。”梁嘉杰介紹。

近年來，也有不少相關(guān)研究在鋰負(fù)極材料的設(shè)計(jì)合成上取得重要突破，但是仍然無法抑制金屬鋰在大電流密度充放電下枝晶生長(zhǎng)以及電極體積膨脹的問題，因此依然難以實(shí)現(xiàn)鋰電池的長(zhǎng)壽命、大容量的“快充快放”。“把金屬鋰沉積到具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔集流體中構(gòu)建金屬鋰復(fù)合負(fù)極材料，是目前解決上述困難的有效途徑之一。”梁嘉杰說。

基于此認(rèn)識(shí)，三課題組首先提出了實(shí)現(xiàn)超高電流密度及超長(zhǎng)循環(huán)壽命的理想的金屬鋰負(fù)極三維載體的材料選擇及優(yōu)化的五點(diǎn)基本要求，包括：與金屬鋰具有等于零或者接近零的結(jié)晶過電勢(shì)；具有連續(xù)的超高導(dǎo)電性；具有大的比表面積以及均勻分布的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)穩(wěn)定性的多孔結(jié)構(gòu)；具有優(yōu)異的機(jī)械韌性。在此基礎(chǔ)上，他們利用石墨烯宏觀體三維網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)械骨架，銀納米線二維網(wǎng)絡(luò)作為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，通過低成本，與工業(yè)化生產(chǎn)相兼容的涂布-冷干法，制備具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，并負(fù)載金屬鋰作為金屬鋰復(fù)合負(fù)極材料。

經(jīng)測(cè)試，該金屬鋰復(fù)合負(fù)極材料的比容量可達(dá)2573mAh/g；對(duì)稱電池測(cè)試中，首次實(shí)現(xiàn)在極高的電流密度40mAh/cm2下反復(fù)充放電1000周以上，并且過電勢(shì)低于120mV。通過電鏡觀察可以看到，該多級(jí)三維結(jié)構(gòu)載體即使在極大電流充放電的循環(huán)條件下，仍能成功抑制金屬鋰負(fù)極中鋰枝晶的生長(zhǎng)以及電極體積的變化。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與NCM523正極材料組裝了具有優(yōu)異的倍率性能以及高倍率循環(huán)穩(wěn)定性的全電池。

“未來，我們將繼續(xù)優(yōu)化該具有多級(jí)三維結(jié)構(gòu)的鋰負(fù)極載體的機(jī)械性能，進(jìn)一步提電極材料在快速?zèng)_放狀態(tài)下的沖放容量，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)具有超高能量密度以及功率密度的金屬鋰負(fù)極材料。”梁嘉杰說。