复旦大学最新成果将使锂电池容量接近理论极限

具有极高理论能量密度(3505 Wh/kg)的锂氧电池被认为是未来高能量密度电池的“最终选择”之一，然而目前在实际应用中却面临着诸多挑战。其中，作为锂氧电池重要构成部分的锂金属负极虽然理论比容量高达3860 mAh/g，但因存在着充放电过程中不断形成枝晶引起短路和一系列副反应等问题而无法实现其应用价值。

近日，复旦大学彭慧胜团队将取向碳纳米管层层交错组装作为锂金属骨架成功实现了具有超高比容量(3656 mAh/g)、无枝晶的复合锂金属负极，并基于此负极大幅提升了锂氧电池的循环性能，为高性能锂金属负极及锂氧电池的材料设计提供了新的思路。日前国际权威学术期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)发表了该成果。


图1. (a)-(d)常见锂箔负极和锂/碳管骨架复合电极锂沉积的仿真电场模拟及示意图，具有高比表面积的3D-CSC导电骨架能有效避免电势集中，促进均匀沉积。(e)-(g)不同几何结构碳纳米管骨架在锂金属沉积量增大时的应力分析模拟。

在该体系中，取向碳纳米管能形成高比表面积(424.2 m2/g)的导电网络，在锂金属沉积/剥离过程中能有效分散实际电流密度，缓解锂枝晶的生成，防止枝晶刺穿隔膜引起短路等安全问题。研究人员通过层层交错组装三维取向碳纳米管骨架，得到初始厚度仅为1 μm左右的碳纳米管骨架，可直接作为集流体进行电池组装；其厚度随着锂金属沉积量的增加而增大，始终保持电极整体处于较为稳定的状态，缓解了锂金属负极因充放电过程中产生巨大体积变化导致SEI膜破裂加剧电解液副反应等问题；得益于该三维骨架轻质(~0.07 mg/cm2)的特点，在引入骨架解决锂负极枝晶问题的同时，所得到的复合电极展现出3656 mAh/g的比容量，达到了锂金属理论容量的94.7%。将该复合锂金属负极构建锂氧全电池表现出大幅提升的循环稳定性。


图2. 交错碳纳米管复合锂金属负极(Li/3D-CSC)与其他应用于锂氧电池中的负极性能对比(左)及与其他典型锂电极的性能对比(右)。

该研究中提出的通过一维纳米材料构筑层层交错结构在结构化锂负极及相关电池构建中具备普适性。未来研究课进一步优化锂金属骨架的几何微结构、材料构成及设计界面，继续提升锂负极的稳定性和电化学性能，从而得到更高性能的锂氧电池助力电动汽车等领域的发展。