在下一代高能量密度電池中，鋰金屬被視為理想的負(fù)極。然而，為了使其充分發(fā)揮潛力，還要克服一定的挑戰(zhàn)。據(jù)外媒報(bào)道，研究團(tuán)隊(duì)探討鋰沉積行為，并圍繞硬碳主體開發(fā)了一種策略，可以成功解決目前在鋰金屬負(fù)極開發(fā)過(guò)程中面臨的一些問(wèn)題。

（圖片來(lái)源：Springerlink）

中國(guó)電子科技大學(xué)的王麗平教授表示：“通過(guò)這一策略來(lái)合理設(shè)計(jì)主體和電解質(zhì)，從而解決體積變化和枝晶問(wèn)題，為制造鋰金屬負(fù)極提供了更寬闊的視角?！?/p>

鋰金屬具有超高理論容量、極低的電極電位和低密度，被視為富有前景的下一代電池負(fù)極。然而，鋰金屬受到不可控鋰枝晶生長(zhǎng)、副反應(yīng)和相對(duì)無(wú)限的體積變化的影響。這些問(wèn)題會(huì)降低電池的效率，使電池的循環(huán)壽命變短，甚至可能導(dǎo)致短路等安全風(fēng)險(xiǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直在探討不同的方法，以緩解枝晶生長(zhǎng)和體積膨脹問(wèn)題，比如構(gòu)建三維復(fù)合鋰負(fù)極、優(yōu)化電解質(zhì)構(gòu)成、應(yīng)用人工界面膜和固體電解質(zhì)等。在解決體積膨脹和枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題方面，三維主體是最有前景的方法。在鋰金屬負(fù)極中，碳基材料是理想的主體候選材料，因其具有輕量化、導(dǎo)電率高和孔隙結(jié)構(gòu)多重優(yōu)勢(shì)，并且電化學(xué)/化學(xué)性能穩(wěn)定。但王教授表示：“即使碳基主體具有諸多優(yōu)勢(shì)，也不能完全解決體積膨脹和枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題?！?/p>

最近以來(lái)，研究人員探討使用親鋰物質(zhì)（如鋅、氧化鋅、鋁、錫、硅、銀和鎂）對(duì)碳材料進(jìn)行改性，并開發(fā)合適的電解質(zhì)作為提高三維主體材料性能的有效方法。王教授表示：“然而，鋰沉積行為及其內(nèi)在機(jī)制并未得到系統(tǒng)的分析。”

為了更好地了解結(jié)構(gòu)-行為關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鋰沉積行為及其內(nèi)在機(jī)制，為開發(fā)高性能碳基主體電極指明方向，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入的研究。研究人員使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行系統(tǒng)性研究，探討碳?xì)浠衔镫姌O在不同表面改性和電解質(zhì)作用下的鋰沉積行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，鋰并不是自發(fā)地沉積到碳孔中。這在很大程度上取決于碳表面、電流密度、面積容量和電解質(zhì)。

因此，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種含銀的親鋰改性商用硬碳作為穩(wěn)定主體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，引入親鋰位點(diǎn)可以引導(dǎo)枝晶適應(yīng)生長(zhǎng)，抑制體積膨脹。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)，局部高濃度電解質(zhì)被證明與鋰更相容，可以優(yōu)化鋰沉積形態(tài)，阻止其形成枝晶。因此，在循環(huán)過(guò)程中，位于局部高濃度電解質(zhì)中的銀/碳?xì)浠衔镫姌O實(shí)現(xiàn)了均勻且無(wú)枝晶的鋰沉積形態(tài)，并表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期循環(huán)效率（超過(guò)316次循環(huán)）。

該團(tuán)隊(duì)總結(jié)道，盡管多孔碳具有容納鋰的理論空間，但是鋰離子不會(huì)沉積到預(yù)期的孔隙中，因?yàn)殇囋痈鼉A向于以爆炸性的生長(zhǎng)模式積聚，且其強(qiáng)度足以撐住碳顆粒。研究人員還發(fā)現(xiàn)，對(duì)碳進(jìn)行表面改性，可以減少成核勢(shì)壘，從而部分緩解鋰沉積。然而，由于這是鋰沉積到親鋰碳上之后的鋰-鋰沉積行為，因此效率不高。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，使用局部高濃度電解質(zhì)，可以更有效地實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶鋰沉積。