石墨烯骨架提升金属负极的安全性:低局部电流密度抑制锂枝晶生长

AMzhangqiang2金属锂负极在电池的充放电过程中,易生长出树枝状的锂枝晶沉积。锂枝晶一方面会刺穿隔膜,引发电池内部短路,带来极大的安全隐患;另一方面,锂枝晶的生长使得新生长的金属锂不断与电解液接触,消耗电解液和金属锂形成多余的锂盐膜(即固液界面膜),带来不可逆的电池容量损失,大幅降低电池的使用寿命。因此,抑制金属锂枝晶的生长,对于改进金属锂负极的安全性和储能效率至关重要。

为了抑制金属锂枝晶的生长,清华大学张强教授课题组提出了一种石墨烯纳米结构骨架的金属锂负极结构。该负极结构(1)具有极高的比表面积(1666 m2 g-1),可将充放电过程中微观结构表面实际的电流密度降低到整体电极电流密度的仅仅万分之一,通过这一极低的电流密度,实现了无枝晶的金属锂沉积形貌;(2)具有极高的孔容(1.65 cm3 g-1),从而拥有可达4.0 mAh mg-1的极高的稳定充放电容量,是常见锂离子电池所用石墨负极(0.372 mAh mg-1)的约十倍;(3)具有极高的电导率(435 S cm-1),降低了负极金属锂表面的界面阻抗,提高了电化学性能。此外,该工作中结合使用了新型的双盐电解液,可形成稳定具有弹性的锂盐固液界面膜,实现对金属锂的有效保护,保证了该金属锂负极的充放电循环性能。

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该工作提出了具有极高比表面积、孔容、电导率的石墨烯骨架负极用于锂硫电池中的金属锂负极,提供了通过极低局部电流密度来抑制金属锂枝晶生长、并提高金属锂负极安全性和循环效率的高效研究思路。这类石墨烯纳米结构骨架有望进一步解决金属锂负极的关键问题,进而在锂硫电池等新型电池中发挥重要作用。

相关工作已以发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201504117)上。本工作由清华大学张睿、程新兵、赵辰孜等共同完成。