研究人員提出制造3D高性能鋰金屬負極的方法 具有成本效益

據外媒報道，在《電化學學報》（Electrochimica Acta）上發表的一項研究中，北京化工大學和北京航空航天大學的研究人員提出了一種可擴展且具有成本效益的技術，用于制造高效的三維結構鋰金屬負極，為研究鋰金屬和潛在的其他金屬負極開辟了新途徑。

（圖片來源：sciencedirect）

電極“圣杯”

隨著筆記本電腦、手機和電動汽車的迅速發展，人們對高能量密度、長壽命儲能解決方案的需求日益增長。鋰金屬負極具有卓越的比容量，而且重量輕、反應電位小，被視為未來鋰電池電極材料的“圣杯”。然而，鋰金屬負極存在鋰枝晶生長問題，使其商業化進程放緩。

使用鋰金屬電極的缺點

鋰枝晶生長可能導致若干問題，比如穿透隔膜并接觸正極，從而導致短路。

鋰金屬和電解質之間相互作用，會持續消耗活性鋰金屬物質和電解質，顯著降低庫侖效率。在循環過程中，鋰枝晶會從鋰片上脫落，留下一層“死”的鋰鍍層。這會影響庫侖效率，增加鋰電池內部電阻，從而降低循環效率。

在鋰金屬電池中，每個剝離或電鍍過程的體積變化是沒有限制的。因此，在實際使用鋰金屬負極時，最緊迫的挑戰是充分控制枝晶生長，延長鋰電池的循環壽命。

解決枝晶問題的不同方法

最近，人們采用不同的方法來制造鋰金屬負極的骨架物質，以抑制鋰枝晶生長，并能承受較大的體積波動。充分開發固體電解質界面（SEI）片材，優化電解質構成，以及進行鋰金屬負極結構設計，都是解決鋰枝晶生長問題的有效方法。

制造合成SEI片材是一種控制枝晶生長的技術，可以提高鋰剝離/電鍍的效率。然而，由于鋰金屬固有的無宿主特性，顯著的體積增長，可能使內應力不斷積聚，導致SEI薄片在多次循環中破碎。

近年來，在解決鋰枝晶生長和體積變化方面，開發鋰金屬負極骨架被視為一種成功的方法。這種鋰金屬負極架構設計能夠降低電流密度和體積增長，抑制鋰枝晶生長，從而提高鋰金屬負極的有效性。

多孔鋰宿主

采用石墨烯、碳纖維、金屬氧化物、MXenes（二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物）和具有納米工程結構的金屬多孔宿主，可以形成有效的三維高孔隙率鋰負極骨架，提高鋰金屬復合負極在高電流密度和大容量下的循環穩定性。

此外，加入金屬原子，能夠提高材料對鋰的吸附能，使鋰金屬均勻形核和沉積；并提供大量的活性點來吸引鋰離子，提高電化學性能。

此項研究的主要發現

本研究采用了一種新穎的原位生長方法，構建帶有鐵納米顆粒的多孔碳納米纖維載體骨架（PCNF-Fe），使基符合優化鋰金屬復合電極的設計標準。

PCNF-Fe基層比表面積大，具有較高的親油性，可以成功降低鋰成核過電位，為鋰離子提供豐富的成核活性點。這種三維、高孔隙率的導電骨架，能夠促進電子轉移，有效降低局域電流密度，從而阻止鋰枝晶生成和生長。

富含氧和氮的碳骨架，對鋰離子具有更強的吸引力，可以促進鋰均勻成核。這種多孔宿主具有開放的孔隙，能夠承受循環過程中固有的體積波動，并傳輸鋰離子。

對稱性電芯評估顯示出色的循環穩定性和卓越的庫侖效率。根據密度泛函理論模擬，包覆鐵納米粒子的碳納米纖維更容易吸收鋰原子，使鋰沉積更均勻。

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