具有極高理論能量密度(3505Wh/kg)的鋰氧電池被認(rèn)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(yīng)用中卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，作為鋰氧電池重要構(gòu)成部分的鋰金屬負(fù)極雖然理論比容量高達(dá)3860mAh/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(yīng)等問題而無法實現(xiàn)其應(yīng)用價值。

近日，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)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(3656mAh/g)、無枝晶的復(fù)合鋰金屬負(fù)極，并基于此負(fù)極大幅提升了鋰氧電池的循環(huán)性能，為高性能鋰金屬負(fù)極及鋰氧電池的材料設(shè)計提供了新的思路。日前國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew.Chem.Int.Ed.)發(fā)表了該成果。

圖1.(a)-(d)常見鋰箔負(fù)極和鋰/碳管骨架復(fù)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(dǎo)電骨架能有效避免電勢集中，促進(jìn)均勻沉積。(e)-(g)不同幾何結(jié)構(gòu)碳納米管骨架在鋰金屬沉積量增大時的應(yīng)力分析模擬。

在該體系中，取向碳納米管能形成高比表面積(424.2m2/g)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，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1μm左右的碳納米管骨架，可直接作為集流體進(jìn)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(fù)極因充放電過程中產(chǎn)生巨大體積變化導(dǎo)致SEI膜破裂加劇電解液副反應(yīng)等問題；得益于該三維骨架輕質(zhì)(~0.07mg/cm2)的特點，在引入骨架解決鋰負(fù)極枝晶問題的同時，所得到的復(fù)合電極展現(xiàn)出3656mAh/g的比容量，達(dá)到了鋰金屬理論容量的94.7%。將該復(fù)合鋰金屬負(fù)極構(gòu)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(fù)合鋰金屬負(fù)極(Li/3D-CSC)與其他應(yīng)用于鋰氧電池中的負(fù)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(gòu)筑層層交錯結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)化鋰負(fù)極及相關(guān)電池構(gòu)建中具備普適性。未來研究課進(jìn)一步優(yōu)化鋰金屬骨架的幾何微結(jié)構(gòu)、材料構(gòu)成及設(shè)計界面，繼續(xù)提升鋰負(fù)極的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，從而得到更高性能的鋰氧電池助力電動汽車等領(lǐng)域的發(fā)展。