天津大學羅加嚴Joule: 超厚無枝晶金屬鋰負極

【引言】

憑借高的理論容量和低的電勢，鋰金屬成為電池陽極材料的首選。然而，金屬鋰負極在實際應用中由于枝晶問題的存在而常常受到限制，枝晶會造成電極在循環過程中持續的體積波動，導致固液界面變的極不穩定，嚴重時甚至造成電池短路。因此，如何有效地解決金屬鋰在沉積溶解過程中的枝晶問題就成了一個亟待解決的科學問題。

【成果簡介】

近日，天津大學的羅加嚴教授在Cell Press旗下的能源領域新旗艦期刊 Joule上發表最新研究成果“Crumpled Graphene Balls Stabilized Dendrite-free Lithium Metal Anodes”。在該文中，研究者采用簡便易得的石墨烯紙團作為金屬鋰的沉積骨架。這種石墨烯紙團具有抗團聚的特性、保證了金屬鋰有足夠的存儲空間。同時，這種石墨烯紙團可以做到連貫的緊密堆積，使其在厚度、表面粗糙度和孔徑分布上實現均勻可控。另外，這種石墨烯紙團易鋰化，可以保證快速的鋰離子傳輸。基于以上優點，該金屬鋰負極在沉積容量高達10 mAh cm^-2的情況下，仍然可以有效地緩解循環過程中巨大的體積波動。該電極在循環超過750圈（1500多小時）后，庫倫效率仍然可以達到97.5%。即使金屬鋰沉積量達到12 mAh cm^-2，仍然沒有明顯的枝晶產生。

【圖文導讀】

圖1?褶皺石墨烯紙團的結構表征

(A-C) 石墨烯紙團的SEM圖(A,B)和石墨烯球的氮氣吸脫附曲線及孔徑分布曲線(C)；
(D) in situ TEM示意圖；
(E) TEM石墨烯紙團鋰化過程中的照片；
(F)石墨烯紙團高容量鋰沉積示意圖。

圖2?金屬鋰的沉積量的增加以及石墨烯紙團負極有限的體積變化

(A-B)金屬鋰在銅箔上沉積，鋰沉積量為0.75 mAh cm^-2，(A) SEM截面圖，(B) SEM俯視圖；

?(C-D) 鋰沉積量為0.75 mAh cm^-2，石墨烯紙團負極厚度為8 μm，(C)沉積前SEM截面圖，(D)沉積后SEM截面圖；

(E-F) 鋰沉積量為3.75 mAh cm^-2，石墨烯紙團負極厚度為40 μm，(E)沉積前SEM截面圖，(F)沉積后SEM截面圖；

(G-I) 鋰沉積量為10 mAh cm^-2，石墨烯紙團負極厚度為120 μm，(G)沉積前SEM截面圖，(H)沉積后SEM截面圖, (I) 沉積后SEM俯視圖。

圖3?高容量金屬鋰在石墨烯紙團上方無枝晶沉積

(A) 鋰沉積量為3 mAh cm^-2，石墨烯紙團負極厚度為8 μm；

(B,C) 石墨烯紙團負極厚度為40 μm，鋰沉積量為(B) 6 mAh cm^-2 和(C) 12 mAh cm^-2。

?圖4 褶皺石墨烯紙團的電化學性能

(A) 褶皺石墨烯紙團和銅箔電流逐級增加電流/容量-循環曲線；
?(B) 褶皺石墨烯紙團容量逐級增加容量-循環曲線；
?(C) 銅箔容量逐級增加電壓-容量曲線；
?(D) 褶皺石墨烯紙團負載鋰和銅箔負載鋰組裝對稱電池恒流沉積溶解曲線。

【小結】

研究者通過石墨烯紙團構筑了極具應用前景的金屬鋰沉積骨架。這種石墨烯紙團可以根據需求通過簡單的溶劑分散噴霧法大量獲得。由于褶皺石墨烯紙團具有良好的導電性、輕質、易鋰化及較好的化學、機械穩定性等優異特性，當將其作為金屬鋰的沉積骨架時，石墨烯紙團負極表現出了較高的庫倫效率以及穩定的循環性能。而且，該負極可以通過增加石墨烯紙團的厚度來實現金屬鋰沉積量的增加并且能夠有效緩解體積變化帶來的不利影響。如120 μm厚的石墨烯紙團負極可以承受10 mAh cm^-2的金屬鋰的體積波動。40 μm厚的石墨烯紙團負極在沉積12 mAh cm^-2的金屬鋰的后仍然沒有明顯的枝晶產生。該石墨烯紙團負極為下一代高能金屬鋰負極的應用拓展了道路。

文獻鏈接：Crumpled Graphene Balls Stabilized Dendrite-free Lithium Metal Anodes(Joule, 2017, 89, doi : http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2017.11.004)

本文由天津大學劉山提供。

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