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中国清华大学石墨烯-锂电池研究取得重大突破

清华大学研究人员最近发表一种基于石墨烯纳米结构的锂金属电极材料,可用于抑制锂金属电池中的枝晶生长,进一步提升其电化学性能…

中国清华大学(Tsinghua University)的研究人员最近发表一种基于石墨烯纳米结构的锂金属电极材料,可用于抑制锂金属电池中的枝晶生长,进一步提升其电化学性能。

“目前广泛使用的锂离子电池越来越难以满足可携式电子产品和电动车(EV)日益增加的储能要求。诸如锂硫电池(Li-S)与锂空气电池(Li-air)等新的锂离子金属阳极电池也都十分受欢迎。锂金属电池提供极高的理论性能,几乎比石墨烯更多10倍的能量,”清华大学化学工程系副教授张强表示。

“然而,在连续的循环下,锂金属的实际应用受到锂枝晶生长的强烈干扰,甚至引发对于安全的顾虑。锂枝晶可能导致电池内部短路引发起火。再者,锂枝晶的形成也使得循环效率降低。”枝晶生长以及固体电解质接口不稳定都会消耗大量的锂和电解液,导致不可逆的电池容量损失。
20160328-battery-1锂在石墨烯薄层上的沈积/剥离过程示意图(来源:中国清华大学化学工程系)

为了缓解枝晶的生长,目前已经开发出几种方法了,包括调整电解液、采用人造固体电解质接口层与电极结构等。

“我们发现,藉由大量减少局部电流密度,就能有效抑制锂枝晶的生长。根据这样的概念,我们采用具有超高比表面积的非堆栈石墨烯材料,打造出纳米结构的阳极。结 果显示这是一种十分有效的方法,”清华大学化学工程博士研究生兼该研究的主要作者Rui Zhang解释,“此外,我们采用双盐电解液,取得更稳定且更灵活的固态电解质接口,以避免锂金属与电解液进一步发生反应。”

基于石墨烯的阳极带来多方面的进展, 包括1666 m2g-1的较大比表面积带来石墨烯阳极表面的超低局部电流密度(仅有采用铜箔阳极时的万分之一),同时抑制了枝晶的生长,从而带来均匀的锂沈积形态。

由于非堆栈石墨烯的高孔隙容量(1.65cm2 g-1),这种阳极还可提供4.0mAh mg-1的高稳定循环性能,比锂离子电池中的石墨烯阳极(0.372 mAh mg-1)更高10倍。

该阳极并展现高导电性(435 S cm-1),带来较低的接口阻抗、稳定的充/放电性能,以及高循环效率。

“具有高比表面积的导电纳米结构阳极带来了超低的局部电流密度,这将有助于提高锂金属阳极的稳定度与电化学性能,”该研究的另一名作者Xin-Bing Cheng表示。相关研究成果已发表于最新一期的《先进材料》(Advanced Materials)期刊中。

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