清華Advanced Materials 新進展——石墨烯基金屬負極抑制鋰金屬電池枝晶生長

材料牛注：清華大學的研究人員提出了一種鋰金屬電池用石墨烯基金屬負極，以抑制鋰枝晶生長，改善電化學性能。

清華大學化學工程系的張強教授認為：“目前廣泛使用的鋰離子電池不能滿足便攜式電子產品和電動汽車日益增長的能量存儲需求。因此，科學家們加大了對鋰-硫和鋰-空氣電池等使用金屬鋰負極儲能器件的研究。

鋰金屬的理論比容量非常高，幾乎是石墨的10倍以上。然而，在循環過程中鋰枝晶的生長不僅嚴重阻礙了鋰金屬負極的實際應用，同時也導致了安全問題。鋰枝晶的形成不僅使循環效率降低，還可能導致內部短路而引起火災。”枝晶的生長和固體電解質中間相的不穩定會消耗大量的鋰金屬和電解質，進而導致電池容量的不可逆損失。因此，非常有必要抑制鋰枝晶的生長。

人們通過電解質改性、人造固體電解質中間相、電極結構等手段抑制鋰枝晶的生長。“我們注意到，通過降低局部電流密度，可以對其進行有效抑制。基于這樣的想法，我們采用具有超高比表面積的非堆疊的柱撐石墨烯，來搭建納米級別的電池負極。這個方法非常有效，此外，我們采用雙鹽電解質，以獲得更穩定和更具適應性的固體電解質中間相，來阻止鋰金屬和電解質進一步的反應。”張睿介紹到。

這種石墨烯負極的優點在于：
（1）由于比表面積達1666 m2 g-1，石墨烯負極上的電流密度超級低（只有傳統銅箔基負極的萬分之一），因此可以有效抑制枝晶生長，使鋰均勻沉積；
（2) ?非堆疊的柱撐石墨烯的高孔隙體積(1.65 cm3 g-1)使得其循環容量穩定在4.0 mAh mg-1，是石墨作負極時的10倍以上(0.372 mAh mg-1)；
（3）高電子電導率（435S cm-1）使界面阻抗降低，充放電性能更穩定并提高了循環效率。

該項工作的共同作者程新兵說：“我們希望這項研究能夠為處理鋰枝晶難題提供新的思路。由于納米結構導電負極比表面積高，使得局部電流密度非常低，從而提高鋰金屬負極的穩定性和電化學性能。”未來的研究需要設計出更好的負極結構，并研發更多的固體電解質相間保護層。研究人員還呼吁進一步研究鋰離子和電子在鋰沉積和脫離過程中的擴散行為，以促進鋰金屬負極的商業應用。

這項工作發表在Advanced Materials上。

本文由材料人編輯部王宇提供素材，黃語嫣編譯，清華大學張強教授指導。

本文參考地址：Safe lithium-metal batteries with graphene