中國粉體網(wǎng)訊  據(jù)外媒報道,，在《電化學(xué)學(xué)報》（Electrochimica Acta）上發(fā)表的一項研究中,，北京化工大學(xué)和北京航空航天大學(xué)的研究人員提出了一種可擴展且具有成本效益的技術(shù),，用于制造高效的三維結(jié)構(gòu)鋰金屬負極,，為研究鋰金屬和潛在的其他金屬負極開辟了新途徑,。

（圖片來源：sciencedirect）

電極“圣杯”

隨著筆記本電腦、手機和電動汽車的迅速發(fā)展,，人們對高能量密度,、長壽命儲能解決方案的需求日益增長。鋰金屬負極具有卓越的比容量,，而且重量輕,、反應(yīng)電位小，被視為未來鋰電池電極材料的“圣杯”,。然而,，鋰金屬負極存在鋰枝晶生長問題，使其商業(yè)化進程放緩,。

使用鋰金屬電極的缺點

鋰枝晶生長可能導(dǎo)致若干問題,，比如穿透隔膜并接觸正極，從而導(dǎo)致短路,。

鋰金屬和電解質(zhì)之間相互作用,，會持續(xù)消耗活性鋰金屬物質(zhì)和電解質(zhì)，顯著降低庫侖效率,。在循環(huán)過程中,，鋰枝晶會從鋰片上脫落，留下一層“死”的鋰鍍層,。這會影響庫侖效率,，增加鋰電池內(nèi)部電阻，從而降低循環(huán)效率,。

在鋰金屬電池中,，每個剝離或電鍍過程的體積變化是沒有限制的,。因此,，在實際使用鋰金屬負極時，最緊迫的挑戰(zhàn)是充分控制枝晶生長,，延長鋰電池的循環(huán)壽命,。

解決枝晶問題的不同方法

最近，人們采用不同的方法來制造鋰金屬負極的骨架物質(zhì),，以抑制鋰枝晶生長,，并能承受較大的體積波動。充分開發(fā)固體電解質(zhì)界面（SEI）片材,，優(yōu)化電解質(zhì)構(gòu)成,，以及進行鋰金屬負極結(jié)構(gòu)設(shè)計,，都是解決鋰枝晶生長問題的有效方法。

制造合成SEI片材是一種控制枝晶生長的技術(shù),，可以提高鋰剝離/電鍍的效率,。然而，由于鋰金屬固有的無宿主特性,，顯著的體積增長,，可能使內(nèi)應(yīng)力不斷積聚，導(dǎo)致SEI薄片在多次循環(huán)中破碎,。

近年來,，在解決鋰枝晶生長和體積變化方面，開發(fā)鋰金屬負極骨架被視為一種成功的方法,。這種鋰金屬負極架構(gòu)設(shè)計能夠降低電流密度和體積增長,，抑制鋰枝晶生長，從而提高鋰金屬負極的有效性,。

多孔鋰宿主

采用石墨烯,、碳纖維、金屬氧化物,、MXenes（二維過渡金屬碳化物,、氮化物或碳氮化物）和具有納米工程結(jié)構(gòu)的金屬多孔宿主，可以形成有效的三維高孔隙率鋰負極骨架,，提高鋰金屬復(fù)合負極在高電流密度和大容量下的循環(huán)穩(wěn)定性,。

此外，加入金屬原子,，能夠提高材料對鋰的吸附能,，使鋰金屬均勻形核和沉積；并提供大量的活性點來吸引鋰離子,，提高電化學(xué)性能,。

此項研究的主要發(fā)現(xiàn)

本研究采用了一種新穎的原位生長方法，構(gòu)建帶有鐵納米顆粒的多孔碳納米纖維載體骨架（PCNF-Fe）,，使基符合優(yōu)化鋰金屬復(fù)合電極的設(shè)計標準,。

PCNF-Fe基層比表面積大，具有較高的親油性,，可以成功降低鋰成核過電位,，為鋰離子提供豐富的成核活性點。這種三維,、高孔隙率的導(dǎo)電骨架,，能夠促進電子轉(zhuǎn)移，有效降低局域電流密度，從而阻止鋰枝晶生成和生長,。

富含氧和氮的碳骨架,，對鋰離子具有更強的吸引力，可以促進鋰均勻成核,。這種多孔宿主具有開放的孔隙,，能夠承受循環(huán)過程中固有的體積波動，并傳輸鋰離子,。

對稱性電芯評估顯示出色的循環(huán)穩(wěn)定性和卓越的庫侖效率,。根據(jù)密度泛函理論模擬，包覆鐵納米粒子的碳納米纖維更容易吸收鋰原子,，使鋰沉積更均勻,。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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