為鋰金屬電池建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)

鋰金屬電池是一個復(fù)雜的體系，要將其投入實際應(yīng)用需要解決正極材料組分調(diào)控及結(jié)構(gòu)設(shè)計、負極結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解液調(diào)控、正負極容量匹配、電池管理系統(tǒng)等問題。本工作主要針對復(fù)雜鋰金屬體系中的負極結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究。

就像蓋一棟大樓一樣，研究團隊能做的就是盡量把研究部分的地基打得更牢固，最終見證大樓的完工還需要各方面的努力。

相比目前商用的鋰離子電池，鋰金屬電池作為一種新型高能量密度電池體系，擁有更高的儲能潛力，有望讓手機、電腦等便攜式電子設(shè)備擁有更長的待機時間，電動汽車擁有更長的續(xù)駛里程。

此外，高能量鋰金屬電池體系在風(fēng)能、太陽能等具有周期性和間歇性特性的可再生能源的有效儲存和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用前景。

具體來說，本工作對一種新型高能量密度電池體系——鋰金屬電池進行了研究和討論。

近年來，移動電子設(shè)備、電動汽車、智能電網(wǎng)的快速發(fā)展對電池能量密度提出了越來越高的要求。

目前商業(yè)化鋰離子電池的能量密度已接近理論極限，即便如此，仍難以滿足快速增長的市場需求。

因此，研發(fā)下一代高能量密度電池體系意義重大。以金屬鋰為負極的鋰金屬電池，理論比容量高達 g-1，是目前商業(yè)化鋰離子電池所采用的石墨負極（372 mAh g-1）的十幾倍。因此，鋰金屬電池有望實現(xiàn)能量密度的大幅提升金屬鋰，近年來受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。

然而，循環(huán)壽命差等問題阻礙了鋰金屬負極的實際應(yīng)用。這主要是由于鋰金屬本身具有很高的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)性，會與電解液發(fā)生持續(xù)且不可控的副反應(yīng)，導(dǎo)致活性鋰金屬和電解液不斷不可逆地消耗，并產(chǎn)生不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面，最終導(dǎo)致電池損壞。

值得注意的是，當(dāng)金屬鋰負極具有更高的表面容量時，上述問題還會被進一步放大，即高容量金屬鋰負極的循環(huán)壽命會進一步縮短。

較高的表面容量是實現(xiàn)高能量密度電池的前提，雖然金屬鋰負極具有比容量高的優(yōu)勢，但是比容量高并不一定意味著表面容量就高。

研究表明，鋰金屬電池的表面容量需達到4mAh cm–2以上，才能實現(xiàn)350 Wh kg–1以上的能量密度，滿足下一代電池的實際應(yīng)用需求。

因此如何在較高的表面容量下保證金屬鋰負極穩(wěn)定的循環(huán)壽命是鋰金屬電池實際應(yīng)用的重點和難點之一。

王大偉團隊發(fā)起的這項研究的核心是探索金屬鋰負極在高表面容量下的衰減機制，并嘗試從鋰負極載體材料設(shè)計的角度提出解決方案。

在此期間，他與團隊首先對金屬鋰負極在不同表面容量下的衰減過程進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了量化的描述因子，從而將高表面容量鋰負極的循環(huán)壽命與鋰負極載體材料的結(jié)構(gòu)特征聯(lián)系起來。

通過進一步的比較分析，提出了跨尺度的鋰負極載體材料設(shè)計原則，以實現(xiàn)兼具高表面容量和長循環(huán)壽命的鋰負極。

基于此原理，該團隊設(shè)計制備了具有三維超支化結(jié)構(gòu)的缺陷石墨烯陣列，并將其作為金屬鋰負極載體，實現(xiàn)了表面容量超過6mAh cm–2的穩(wěn)定循環(huán)。

總體來說，本工作致力于解決高面容量金屬鋰負極循環(huán)壽命短的問題，從探索金屬鋰負極衰減機理的基礎(chǔ)科學(xué)研究視角出發(fā)，通過量化的描述因子將鋰負極的循環(huán)壽命與其載體材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)聯(lián)起來，從而為設(shè)計高面容量、長循環(huán)壽命的鋰金屬電池提供理論基礎(chǔ)。

近日，相關(guān)論文《跨尺度石墨烯陣列的合理化設(shè)計用于長壽命高能鋰金屬電池》在該期刊發(fā)表。

圖 | 相關(guān)論文（來源：）

王大偉教授為本文通訊作者，其團隊成員方若翩博士為第一作者，后者表示預(yù)計兩年內(nèi)完成手頭上的其他項目，之后或有回國工作的計劃。