天津大学罗加严Joule: 超厚无枝晶金属锂负极

【引言】

凭借高的理论容量和低的电势，锂金属成为电池阳极材料的首选。然而，金属锂负极在实际应用中由于枝晶问题的存在而常常受到限制，枝晶会造成电极在循环过程中持续的体积波动，导致固液界面变的极不稳定，严重时甚至造成电池短路。因此，如何有效地解决金属锂在沉积溶解过程中的枝晶问题就成了一个亟待解决的科学问题。

【成果简介】

近日，天津大学的罗加严教授在Cell Press旗下的能源领域新旗舰期刊 Joule上发表最新研究成果“Crumpled Graphene Balls Stabilized Dendrite-free Lithium Metal Anodes”。在该文中，研究者采用简便易得的石墨烯纸团作为金属锂的沉积骨架。这种石墨烯纸团具有抗团聚的特性、保证了金属锂有足够的存储空间。同时，这种石墨烯纸团可以做到连贯的紧密堆积，使其在厚度、表面粗糙度和孔径分布上实现均匀可控。另外，这种石墨烯纸团易锂化，可以保证快速的锂离子传输。基于以上优点，该金属锂负极在沉积容量高达10 mAh cm^-2的情况下，仍然可以有效地缓解循环过程中巨大的体积波动。该电极在循环超过750圈（1500多小时）后，库伦效率仍然可以达到97.5%。即使金属锂沉积量达到12 mAh cm^-2，仍然没有明显的枝晶产生。

【图文导读】

图1 褶皱石墨烯纸团的结构表征

(A-C) 石墨烯纸团的SEM图(A,B)和石墨烯球的氮气吸脱附曲线及孔径分布曲线(C)；
(D) in situ TEM示意图；
(E) TEM石墨烯纸团锂化过程中的照片；
(F)石墨烯纸团高容量锂沉积示意图。

图2 金属锂的沉积量的增加以及石墨烯纸团负极有限的体积变化

(A-B)金属锂在铜箔上沉积，锂沉积量为0.75 mAh cm^-2，(A) SEM截面图，(B) SEM俯视图；

 (C-D) 锂沉积量为0.75 mAh cm^-2，石墨烯纸团负极厚度为8 μm，(C)沉积前SEM截面图，(D)沉积后SEM截面图；

(E-F) 锂沉积量为3.75 mAh cm^-2，石墨烯纸团负极厚度为40 μm，(E)沉积前SEM截面图，(F)沉积后SEM截面图；

(G-I) 锂沉积量为10 mAh cm^-2，石墨烯纸团负极厚度为120 μm，(G)沉积前SEM截面图，(H)沉积后SEM截面图, (I) 沉积后SEM俯视图。

图3 高容量金属锂在石墨烯纸团上方无枝晶沉积

(A) 锂沉积量为3 mAh cm^-2，石墨烯纸团负极厚度为8 μm；

(B,C) 石墨烯纸团负极厚度为40 μm，锂沉积量为(B) 6 mAh cm^-2 和(C) 12 mAh cm^-2。

 图4 褶皱石墨烯纸团的电化学性能

(A) 褶皱石墨烯纸团和铜箔电流逐级增加电流/容量-循环曲线；
 (B) 褶皱石墨烯纸团容量逐级增加容量-循环曲线；
 (C) 铜箔容量逐级增加电压-容量曲线；
 (D) 褶皱石墨烯纸团负载锂和铜箔负载锂组装对称电池恒流沉积溶解曲线。

【小结】

研究者通过石墨烯纸团构筑了极具应用前景的金属锂沉积骨架。这种石墨烯纸团可以根据需求通过简单的溶剂分散喷雾法大量获得。由于褶皱石墨烯纸团具有良好的导电性、轻质、易锂化及较好的化学、机械稳定性等优异特性，当将其作为金属锂的沉积骨架时，石墨烯纸团负极表现出了较高的库伦效率以及稳定的循环性能。而且，该负极可以通过增加石墨烯纸团的厚度来实现金属锂沉积量的增加并且能够有效缓解体积变化带来的不利影响。如120 μm厚的石墨烯纸团负极可以承受10 mAh cm^-2的金属锂的体积波动。40 μm厚的石墨烯纸团负极在沉积12 mAh cm^-2的金属锂的后仍然没有明显的枝晶产生。该石墨烯纸团负极为下一代高能金属锂负极的应用拓展了道路。

文献链接：Crumpled Graphene Balls Stabilized Dendrite-free Lithium Metal Anodes(Joule, 2017, 89, doi : http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2017.11.004)

本文由天津大学刘山提供。

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