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金屬鋰本身由於其極高的比容量和極好導電性，對於未來的高能量密度、高倍率電池來說，是一種極其有潛力的負極材料。但是金屬鋰電池的發展嚴重受制於鋰枝晶的產生。枝晶不僅會斷裂導致電池容量衰減，還可能刺透隔膜使電池短路引發嚴重安全問題。隨著可攜式電子設備及電動汽車的快速發展，人們除了追求鋰電池的大容量和充放電速度外，更關心的是鋰電池的安全性。
近日，南開大學梁嘉傑課題組、陳永勝教授課題組與江蘇師範大學的賴超課題組，提出了解決這一問題的優化策略，基於此策略他們成功製備具有多級結構的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，並負載金屬鋰作為金屬鋰復合負極材料。相關成果發表在《先進材料》。
「金屬鋰由於具有很高的理論容量以及低的電化學電位，因此被認為是zui理想的鋰二次電池的負極材料，在工業上具有廣泛應用前景。但是，在充放電過程中鋰枝晶以及死鋰的形成，電極體積極大的收縮和膨脹，以及固體電解質相介面膜的不穩定性是造成金屬鋰負極材料的循環壽命短、安全性差等問題的主要原因。」梁嘉傑介紹。
近年來，也有不少相關研究在鋰負極材料的設計合成上取得重要突破，但是仍然無法抑制金屬鋰在大電流密度充放電下枝晶生長以及電極體積膨脹的問題，因此依然難以實現鋰電池的長壽命、大容量的「快充快放」。「把金屬鋰沉積到具有三維網絡結構的多孔集流體中構建金屬鋰復合負極材料，是目前解決上述困難的有效途徑之一。」梁嘉傑說。
基於此認識，三課題組首先提出了實現超高電流密度及超長循環壽命的理想的金屬鋰負極三維載體的材料選擇及優化的五點基本要求，包括：與金屬鋰具有等於零或者接近零的結晶過電勢；具有連續的超高導電性；具有大的比表面積以及均勻分布的導電結構；具有優異機械強度和電化學穩定性的多孔結構；具有優異的機械韌性。在此基礎上，他們利用石墨烯宏觀體三維網絡作為機械骨架，銀納米線二維網絡作為導電結構，通過低成本，與工業化生產相兼容的塗布-冷干法，製備具有多級結構的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，並負載金屬鋰作為金屬鋰復合負極材料。
經測試，該金屬鋰復合負極材料的比容量可達2573mah/g；對稱電池測試中，首次實現在極高的電流密度40mah/cm2下反覆充放電1000周以上，並且過電勢低於120mv。通過電鏡觀察可以看到，該多級三維結構載體即使在極大電流充放電的循環條件下，仍能成功抑制金屬鋰負極中鋰枝晶的生長以及電極體積的變化。該團隊進一步與ncm523正極材料組裝了具有優異的倍率性能以及高倍率循環穩定性的全電池。
「未來，我們將繼續優化該具有多級三維結構的鋰負極載體的機械性能，進一步提電極材料在快速沖放狀態下的沖放容量，爭取早日實現具有超高能量密度以及功率密度的金屬鋰負極材料。」梁嘉傑說。
近日，南開大學梁嘉傑課題組、陳永勝教授課題組與江蘇師範大學的賴超課題組，提出了解決這一問題的優化策略，基於此策略他們成功製備具有多級結構的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，並負載金屬鋰作為金屬鋰復合負極材料。相關成果發表在《先進材料》。
「金屬鋰由於具有很高的理論容量以及低的電化學電位，因此被認為是zui理想的鋰二次電池的負極材料，在工業上具有廣泛應用前景。但是，在充放電過程中鋰枝晶以及死鋰的形成，電極體積極大的收縮和膨脹，以及固體電解質相介面膜的不穩定性是造成金屬鋰負極材料的循環壽命短、安全性差等問題的主要原因。」梁嘉傑介紹。
近年來，也有不少相關研究在鋰負極材料的設計合成上取得重要突破，但是仍然無法抑制金屬鋰在大電流密度充放電下枝晶生長以及電極體積膨脹的問題，因此依然難以實現鋰電池的長壽命、大容量的「快充快放」。「把金屬鋰沉積到具有三維網絡結構的多孔集流體中構建金屬鋰復合負極材料，是目前解決上述困難的有效途徑之一。」梁嘉傑說。
基於此認識，三課題組首先提出了實現超高電流密度及超長循環壽命的理想的金屬鋰負極三維載體的材料選擇及優化的五點基本要求，包括：與金屬鋰具有等於零或者接近零的結晶過電勢；具有連續的超高導電性；具有大的比表面積以及均勻分布的導電結構；具有優異機械強度和電化學穩定性的多孔結構；具有優異的機械韌性。在此基礎上，他們利用石墨烯宏觀體三維網絡作為機械骨架，銀納米線二維網絡作為導電結構，通過低成本，與工業化生產相兼容的塗布-冷干法，製備具有多級結構的銀納米線-石墨烯三維多孔載體，並負載金屬鋰作為金屬鋰復合負極材料。
經測試，該金屬鋰復合負極材料的比容量可達2573mah/g；對稱電池測試中，首次實現在極高的電流密度40mah/cm2下反覆充放電1000周以上，並且過電勢低於120mv。通過電鏡觀察可以看到，該多級三維結構載體即使在極大電流充放電的循環條件下，仍能成功抑制金屬鋰負極中鋰枝晶的生長以及電極體積的變化。該團隊進一步與ncm523正極材料組裝了具有優異的倍率性能以及高倍率循環穩定性的全電池。
「未來，我們將繼續優化該具有多級三維結構的鋰負極載體的機械性能，進一步提電極材料在快速沖放狀態下的沖放容量，爭取早日實現具有超高能量密度以及功率密度的金屬鋰負極材料。」梁嘉傑說。