Advanced Materials:温润而泽 —— 液态锂金属浸润碳纳米管膜只需给个温度差

锂金属因其高理论比容量和低氧化还原电位,被誉为下一代能源存储系统的“圣杯”材料。然而由于金属锂负极的枝晶生长带来了严重的安全隐患。为应对这一挑战,研究人员提出优化金属电极结构等多种策略。常用的基体材料分为两类:金属基和碳基。其中碳材料以其较轻的质量、良好的导电性和化学稳定性等优点受到广泛关注。电化学沉积法和熔融灌注法是使用碳纳米材料构建金属锂负极三维宿主骨架的主流方法。前者锂载量较小,难以维持几百甚至上千圈循环的锂消耗。后者面临着液态锂金属与碳材料浸润性差的问题,难以将锂灌注到碳材料内部。为解决液态锂金属与碳材料浸润性差而无法复合的问题,研究者采用碳材料表面涂覆亲锂物质来改善碳材料对液态锂的浸润性。这主要是利用了锂与其他物质反应或者合金化释放的能量来驱动液态锂实现灌注。这可能会产生一些新杂质,占用本就不多的微纳空隙,导致锂与碳基底接触性差以及能量密度降低。如能实现液态锂与碳材料直接杂化,将极大地发挥碳基材料分散电流密度的作用。

一般液态金属往往具有较大的表面能,无机非金属薄膜表面能相对较低,因而液态金属较难润湿无机非金属薄膜。湿润性除了由液态和被润湿固态的表面能所决定之外,还与体系温度场、热力学与动力学条件有关。受此启发,江西理工大学吴子平教授和华中科技大学夏宝玉教授合作通过构建温度场,得到合适的热力学和动力学条件,为熔融态锂金属提供快速向上爬升的动力,灌注到上部的碳纳米管膜网络中。一般认为液态锂金属在重力作用下,会浸润到下部的碳纳米材料内部。本研究发现:液态锂金属主动向上运动,浸润到上部的膜内。其热力学趋势是在过冷度条件下,熔融态锂金属在上部碳纳米管膜上存在一个负的吉布斯自由能;其驱动力来自于碳纳米管膜内气压变化的压力差,进而推动液态锂金属沿碳纳米管束发生凝固结晶,实现浸润。液态锂与碳纳米管膜间的直接杂化,极大发挥了碳基材料分散电流密度的作用。制备的锂/碳纳米管膜杂化负极在对称电池40 mA cm-2的超高电流密度条件下,可实现2000圈稳定循环。在碳纳米管的“分流”作用下,锂离子均匀地沉积剥离,有效抑制了锂枝晶和死锂的形成,提升了锂金属电池的安全性。 本研究通过控制温度场使熔融态锂金属直接浸润碳纳米管膜,极大发挥了碳纳米导电骨架分散电流密度的作用,为液态金属与无机薄膜实现直接浸润提供了新的解决思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202006702)上。