Small Methods: 用于高性能金属锂负极的不堆叠碳纳米微结构

随着高能耗电子设备及电动汽车产业的迅猛发展,高能量密度二次电池的开发已成为当前能源研究领域最具活力与挑战性的热点之一。锂金属负极具有极高的理论比容量(3860 mAh g-1)和最低的还原电位(-3.04 V vs.标准氢电极),是下一代高比能锂二次电池的理想负极之一。以金属锂为负极的锂金属电池,包括锂空气电池、锂硫电池和固态锂氧化物电池,其都表现出极高的理论能量密度,有望显著提高电动汽车和智能手机的续航能力。然而,锂金属电极在充放电过程中伴随着锂枝晶的形成和巨大的体积变化。锂枝晶的形成会导致固态电解质膜的破裂和重复生长、死锂的形成以及电解液的分解,进而导致电池低的库伦效率和差的循环性能。更严重的是,锂枝晶会刺穿隔膜,导致电池内部短路,引发严重的安全隐患。近年来,设计导电碳纳米骨架,将其作为金属锂的载体,被认为是抑制锂枝晶形成和缓解巨大体积变化的有效手段。但普通的碳纳米材料如零维碳纳米球、一维碳纳米管和二维石墨烯等,由于其高的表面能、强的π-π相互作用以及规则的形貌,容易发生团聚,降低比表面积和孔结构。

近期,加拿大西安大略大学孙学良教授与大连理工大学邱介山教授课题组合作,制备了具有不堆叠特性的三维碳纳米微结构,将其作为金属锂骨架有效缓解了锂金属电极的体积形变,并提高了电池的库伦效率和循环稳定性。在本工作中,作者以明胶为原料、硼酸为模板制备了大面积比的氮掺杂碳纳米片,同时为了解决其易堆叠的问题,在碳纳米片表面种植了一层氮掺杂碳纳米管。该三维碳纳米微结构在真空抽滤的苛刻条件下仍不发生堆叠,并保持高的比表面积和大的孔容,有利于金属锂的均匀沉积和储存。此外,大量的氮原子掺杂,可以提高碳材料的亲锂性并有利于金属锂的均匀成核。经扫描电镜观察发现,金属锂可在该载体内均匀沉积,无枝晶形成。半电池测试可稳定运行2000小时并保持98.8%的平均库伦效率。锂金属对称电池可以在低的过电势下稳定运行1500小时,表现出良好的应用前景。

相关研究论文以“Implanting CNT Forest onto Carbon Nanosheets as Multifunctional Hosts for High-Performance Lithium Metal Batteries”为题发表在期刊Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800546)上。本文第一作者为西安大略大学赵昌泰博士,通讯作者为大连理工大学于畅教授、邱介山教授和西安大略大学孙学良教授。