具有極高理論能量密度(3505 Wh/kg)的鋰氧電池被認為是未來高能量密度電池的“最終選擇”之一，然而目前在實際應用中卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，作為鋰氧電池重要構成部分的鋰金屬負極雖然理論比容量高達3860 mAh/g，但因存在著充放電過程中不斷形成枝晶引起短路和一系列副反應等問題而無法實現(xiàn)其應用價值。

近日，復旦大學彭慧勝團隊將取向碳納米管層層交錯組裝作為鋰金屬骨架成功實現(xiàn)了具有超高比容量(3656 mAh/g)、無枝晶的復合鋰金屬負極，并基于此負極大幅提升了鋰氧電池的循環(huán)性能，為高性能鋰金屬負極及鋰氧電池的材料設計提供了新的思路。日前國際權威學術期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)發(fā)表了該成果。


圖1. (a)-(d)常見鋰箔負極和鋰/碳管骨架復合電極鋰沉積的仿真電場模擬及示意圖，具有高比表面積的3D-CSC導電骨架能有效避免電勢集中，促進均勻沉積。(e)-(g)不同幾何結構碳納米管骨架在鋰金屬沉積量增大時的應力分析模擬。

在該體系中，取向碳納米管能形成高比表面積(424.2 m2/g)的導電網絡，在鋰金屬沉積/剝離過程中能有效分散實際電流密度，緩解鋰枝晶的生成，防止枝晶刺穿隔膜引起短路等安全問題。研究人員通過層層交錯組裝三維取向碳納米管骨架，得到初始厚度僅為1 μm左右的碳納米管骨架，可直接作為集流體進行電池組裝；其厚度隨著鋰金屬沉積量的增加而增大，始終保持電極整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，緩解了鋰金屬負極因充放電過程中產生巨大體積變化導致SEI膜破裂加劇電解液副反應等問題；得益于該三維骨架輕質(~0.07 mg/cm2)的特點，在引入骨架解決鋰負極枝晶問題的同時，所得到的復合電極展現(xiàn)出3656 mAh/g的比容量，達到了鋰金屬理論容量的94.7%。將該復合鋰金屬負極構建鋰氧全電池表現(xiàn)出大幅提升的循環(huán)穩(wěn)定性。


圖2. 交錯碳納米管復合鋰金屬負極(Li/3D-CSC)與其他應用于鋰氧電池中的負極性能對比(左)及與其他典型鋰電極的性能對比(右)。

該研究中提出的通過一維納米材料構筑層層交錯結構在結構化鋰負極及相關電池構建中具備普適性。未來研究課進一步優(yōu)化鋰金屬骨架的幾何微結構、材料構成及設計界面，繼續(xù)提升鋰負極的穩(wěn)定性和電化學性能，從而得到更高性能的鋰氧電池助力電動汽車等領域的發(fā)展。