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清华大学复合锂金属负极研究获重要进展,为下一代高能量密度储能电池最理想负极材料

作者:中国储能网新闻中心  来源:清华大学  发布时间:2018-4-20 12:33:45

中国储能网讯:4月18日,清华大学化工系张强教授课题组在能源领域知名期刊《焦耳》(Joule)上发表了论文《用于金属锂电池的珊瑚状碳纤维基复合锂金属负极》(Coralloid Carbon Fiber-Based Composite Lithium Anode for Robust Lithium Metal Batteries),报道了课题组在高安全高容量的复合锂金属负极领域的研究取得的重要进展。该研究被《焦耳》选为本期封面文章,并刊登了封面图片。

金属锂具有极高的理论比容量和最低的氧化还原电极电势,因而成为了下一代高能量密度储能电池(下一代固态锂电池、锂硫电池、锂空电池等)最理想的负极材料。然而,金属锂充放电过程中的枝晶问题和锂与电解质界面膜的不稳定性严重降低了锂金属电池的循环效率,缩短了电池的使用寿命,甚至带来了一定程度的安全隐患,严重阻碍了锂金属电池的发展。

封面图片采用隐喻的方式表述“复合锂金属负极”设计思想,基于亲锂碳纤维的复合锂金属负极比喻成船,能够在熔融锂的“海洋”中稳定航行

最近,研究者们提出了诸多基于导电碳骨架或金属骨架的金属锂负极。然而,很多此类骨架并未预先复合金属锂,而是作为无锂集流体进行半电池测试。这样的无锂集流体难以直接应用到全电池中。因此,如何高效地将金属锂预先复合到集流体结构中、形成可直接装配为全电池的高性能复合锂金属负极成为了研究的重点。

清华大学张强教授研究团队针对金属锂电池对于复合电极的迫切需求,提出一种珊瑚状碳纤维熔融灌锂的复合锂金属负极。采用电镀银涂层的方法将碳纤维骨架(CF)的表面改性为亲锂表面,进而可使液态熔融金属锂能够迅速吸入具有银涂层的碳纤维骨架(CF/Ag),从而制得高性能的复合锂金属负极(CF/Ag-Li)。

银镀层一方面可使任何导电骨架改性为可虹吸液态熔融锂的亲锂导电骨架,另一方面还可以降低金属锂的沉积过电势,获得高倍率下优异的循环稳定性和无枝晶无“死锂”的循环形貌。通过原位金属锂沉积实验观察,发现在该复合结构中难以形成枝晶。所提出的复合锂金属负极可以在10 mA cm-2和10 mAh cm-2的极端苛刻条件下以很低的极化稳定循环超过160圈。相比常规金属锂负极,该复合锂金属负极能够承受极端的面电流密度和面容量循环,表现出高安全性特征。

珊瑚状碳纤维熔融灌锂的复合锂金属负极

该复合金属锂负极与硫正极和磷酸铁锂正极等直接装配为性能优异的锂硫电池和磷酸铁锂电池。其磷酸铁锂电池可在1.0 C倍率下稳定循环超过500圈,而锂硫电池在0.5 C下的初始放电容量可达781 mAh g-1,并保持高容量循环超过400圈。该工作的导电骨架镀银灌锂方法可普适于任何基于导电骨架的复合金属锂负极设计与制备,其镀银层可实现高效的预置金属锂复合,并实现无枝晶、无“死锂”的循环容貌,进而获得在锂硫电池等全电池体系中优异的电化学性能,提升了储能系统系统的安全性。

该项研究工作的通讯作者是清华大学化工系长聘教授张强和助理研究员程新兵。作者顺序依次是博士生张睿、博士生陈翔、博士生沈馨、硕士生张学强、本科生陈筱薷、助理研究员程新兵、硕士生闫崇、博士生赵辰孜和张强教授。

作为《细胞》(Cell)的姊妹刊,《焦耳》是一本致力于应对全球挑战、发展可持续能源为目标,报道能源领域最新进展的知名学术期刊。

该项工作在北京市科委、科技部、自然科学基金委、等部门的资助下完成。清华信息科学技术国家实验室提供了该研究所需的计算平台。参与该项目的本科生陈筱薷获得了清华大学大学生学术研究推进计划中的“未来学者”,在本工作的电池表征工作中做出了重要贡献。

张强教授课题组致力于能源材料,尤其是金属锂、锂硫电池、电催化方面的研究。在金属锂电池领域内,通过先进手段研究固态电解质膜,通过引入纳米骨架、修饰表面固态电解质保护层等方法调控金属锂的沉积行为,实现金属锂电池的高效安全利用。这些相关研究工作先后发表在《先进材料》《美国化学会会志》《德国应用化学》《能源存储材料》《化学》《自然通讯》《美国科学院院报》等知名期刊上。近期,该研究团队在《化学评论》上进行了二次电池中安全金属锂负极评述。该研究团队在金属锂负极领域也申请了一系列中国发明专利和PCT专利,形成了具有较好保护作用的专利群。

原标题:清华化工系张强课题组在高安全复合锂金属负极的研究取得重要进展

关键字:锂电池

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