Adv. Mater. ：石墨化碳纤维作为3D多功能集流体应用于高面积比容锂金属负极

【引言】

锂金属因为其高的能量密度和低的工作电压，一直被认为是锂电池中最理想化的负极材料。但是，低的库伦效率、充放电时巨大的体积变化以及锂枝晶的安全问题，成为了限制锂金属负极实际应用的瓶颈。除了对电解液进行改进以稳定Li负极外，作为电池重要组成部分的集流体，也有望通过合理的结构设计来改善锂金属负极的电化学行为。

【成果简介】

近日，中科院化学所郭玉国教授和湖南农业大学吴雄伟副教授（共同通讯作者）在Advanced Materials上发表题为“Graphitized Carbon Fibers as Multifunctional 3D Current Collectors for High Areal Capacity Li Anodes”研究性文章。在文中，研究者们设计了一种自支撑的3D多功能石墨化碳纤维作为锂金属负极的集流体，该集流体借助常规的嵌锂和锂沉积过程来实现Li的存储；同时其高的比表面积能够降低局部电流密度，有利于Li的均匀沉积；此外，3D多孔结构还能有效缓解Li负极在电化学过程中的体积变化。这种3D多功能集流体的出现为实现高面积比容Li负极的长效循环寿命提供了一种新的设计思路。

【图文导读】

部分名词说明如下：

GCF（graphitized carbon fibers，石墨化碳纤维），LFP（LiFePO₄，磷酸铁锂）。

图1. 石墨化碳纤维的SEM形貌图（左）及其多功能性的示意图（右）

图中标尺为10 μm。

图2. GCF极片在充放电过程中的形貌变化

a) GCF电极充放电过程的示意图；

b) 原始GCF电极的SEM形貌图；

c) 放电到0 V的GCF电极的SEM形貌图；

d) 嵌入2 mA h/cm²的Li后，GCF电极的SEM形貌图；

e) 嵌入8 mA h/cm²的Li后，GCF电极的SEM形貌图；

f) 脱出4 mA h/cm²的Li后，GCF电极的SEM形貌图；

g) 脱出8 mA h/cm²的Li后，GCF电极的SEM形貌图。

图中标尺为10 μm。

图3. 固态电解质的电化学稳定测试

a) GCF电极的恒流充放电曲线；

b) 纯Cu电极和GCF电极的循环性能对比；

c) Cu@Li, 纯Li及GCF@Li三种对称电池的恒电流沉积/剥离曲线。

图4. 与磷酸铁锂组装成全电池的充放电性测试

a) 0.2 C倍率下Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP的恒流充放电曲线；

b) 0.5 C倍率下Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP的恒流充放电曲线；

c) 1 C倍率下Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP的恒流充放电曲线；

d) Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP在不同倍率下充放电中压的电压滞后对比；

e) Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP在0.5 C下的循环性能。

【小结】

为了突破Li负极在实际应用的限制，研究者们将石墨化碳纤维功能化，设计了一种自支撑的三维集流体，抑制了电化学过程中锂金属的不均匀沉积，缓解了Li负极充放电时的体积变化，为实现锂金属电池的长效循环寿命点亮了希望。

文献链接：Graphitized Carbon Fibers as Multifunctional 3D Current Collectors for High Areal Capacity Li Anodes (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201700389)

本文由材料人编辑部许名权编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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