中國清華大學(Tsinghua University)的研究人員最近發表一種基於石墨烯奈米結構的鋰金屬電極材料,可用於抑制鋰金屬電池中的枝晶生長,進一步提升其電化學性能。

「目前廣泛使用的鋰離子電池越來越難以滿足可攜式電子產品和電動車(EV)日益增加的儲能要求。諸如鋰硫電池(Li-S)與鋰空氣電池(Li-air)等新的鋰離子金屬陽極電池也都十分受歡迎。鋰金屬電池提供極高的理論性能,幾乎比石墨烯更多10倍的能量,」清華大學化學工程系副教授張強表示。

「然而,在連續的循環下,鋰金屬的實際應用受到鋰枝晶生長的強烈干擾,甚至引發對於安全的顧慮。鋰枝晶可能導致電池內部短路引發起火。再者,鋰枝晶的形成也使得循環效率降低。」

枝晶生長以及固體電解質介面不穩定都會消耗大量的鋰和電解液,導致不可逆的電池容量損失。

![20160328 battery NT02P1](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/2XReCp0V56u8oc2sQUyuY4/caeb899ed3f6ac9fab0cdf925bbbacbf/20160328_battery_NT02P1.jpg)鋰在石墨烯薄層上的沈積/剝離過程示意圖
(來源:中國清華大學化學工程系)

為了緩解枝晶的生長,目前已經開發出幾種方法了,包括調整電解液、採用人造固體電解質介面層與電極結構等。

「我們發現,藉由大量減少局部電流密度,就能有效抑制鋰枝晶的生長。根據這樣的概念,我們採用具有超高比表面積的非堆疊石墨烯材料,打造出奈米結構的陽極。結果顯示這是一種十分有效的方法,」清華大學化學工程博士研究生兼該研究的主要作者Rui Zhang解釋,「此外,我們採用雙鹽電解液,取得更穩定且更靈活的固態電解質介面,以避免鋰金屬與電解液進一步發生反應。」

基於石墨烯的陽極帶來多方面的進展, 包括1666 m2g-1的較大比表面積帶來石墨烯陽極表面的超低局部電流密度(僅有採用銅箔陽極時的萬分之一),同時抑制了枝晶的生長,從而帶來均勻的鋰沈積形態。

由於非堆疊石墨烯的高孔隙容量(1.65cm2 g-1),這種陽極還可提供4.0mAh mg-1的高穩定循環性能,比鋰離子電池中的石墨烯陽極(0.372 mAh mg-1)更高10倍。

該陽極並展現高導電性(435 S cm-1),帶來較低的介面阻抗、穩定的充/放電性能,以及高循環效率。

「具有高比表面積的導電奈米結構陽極帶來了超低的局部電流密度,這將有助於提高鋰金屬陽極的穩定度與電化學性能,」該研究的另一名作者Xin-Bing Cheng表示。相關研究成果已發表於最新一期的《先進材料》(Advanced Materials)期刊中。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Graphene innovation aims to improve lithium-metal battery,by Paul Buckley)