清華化工系張強課題組在高安全復合鋰金屬負極的研究取得重要進展

日期：2018-04-21 點擊次數(shù)：2191

清華化工系張強課題組在高安全復合鋰金屬負極的研究取得重要進展

2018-04-20 石墨盟

清華新聞網(wǎng)4月19日電  4月18日，清華大學化工系張強教授課題組在能源領(lǐng)域知名期刊《焦耳》（Joule）上發(fā)表了論文《用于金屬鋰電池的珊瑚狀碳纖維基復合鋰金屬負極》（Coralloid Carbon Fiber-Based Composite Lithium Anode for Robust Lithium Metal Batteries），報道了課題組在高安全高容量的復合鋰金屬負極領(lǐng)域的研究取得的重要進展。該研究被《焦耳》選為本期封面文章，并刊登了封面圖片。

金屬鋰具有極高的理論比容量和*低的氧化還原電極電勢，因而成為了下一代高能量密度儲能電池（下一代固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰空電池等）*理想的負極材料。然而，金屬鋰充放電過程中的枝晶問題和鋰與電解質(zhì)界面膜的不穩(wěn)定性嚴重降低了鋰金屬電池的循環(huán)效率，縮短了電池的使用壽命，甚至帶來了一定程度的安全隱患，嚴重阻礙了鋰金屬電池的發(fā)展。

封面圖片采用隱喻的方式表述“復合鋰金屬負極”設(shè)計思想，基于親鋰碳纖維的復合鋰金屬負極比喻成船，能夠在熔融鋰的“海洋”中穩(wěn)定航行

*近，研究者們提出了諸多基于導電碳骨架或金屬骨架的金屬鋰負極。然而，很多此類骨架并未預先復合金屬鋰，而是作為無鋰集流體進行半電池測試。這樣的無鋰集流體難以直接應(yīng)用到全電池中。因此，如何**地將金屬鋰預先復合到集流體結(jié)構(gòu)中、形成可直接裝配為全電池的高性能復合鋰金屬負極成為了研究的重點。

清華大學張強教授研究團隊針對金屬鋰電池對于復合電極的迫切需求，提出一種珊瑚狀碳纖維熔融灌鋰的復合鋰金屬負極。采用電鍍銀涂層的方法將碳纖維骨架（CF）的表面改性為親鋰表面，進而可使液態(tài)熔融金屬鋰能夠迅速吸入具有銀涂層的碳纖維骨架（CF/Ag），從而制得高性能的復合鋰金屬負極（CF/Ag-Li）。

銀鍍層一方面可使任何導電骨架改性為可虹吸液態(tài)熔融鋰的親鋰導電骨架，另一方面還可以降低金屬鋰的沉積過電勢，獲得高倍率下優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和無枝晶無“死鋰”的循環(huán)形貌。通過原位金屬鋰沉積實驗觀察，發(fā)現(xiàn)在該復合結(jié)構(gòu)中難以形成枝晶。所提出的復合鋰金屬負極可以在10 mA cm^-2和10 mAh cm^-2的極端苛刻條件下以很低的極化穩(wěn)定循環(huán)超過160圈。相比常規(guī)金屬鋰負極，該復合鋰金屬負極能夠承受極端的面電流密度和面容量循環(huán)，表現(xiàn)出高安全性特征。 

珊瑚狀碳纖維熔融灌鋰的復合鋰金屬負極

該復合金屬鋰負極與硫正極和磷酸鐵鋰正極等直接裝配為性能優(yōu)異的鋰硫電池和磷酸鐵鋰電池。其磷酸鐵鋰電池可在1.0 C倍率下穩(wěn)定循環(huán)超過500圈，而鋰硫電池在0.5 C下的初始放電容量可達781 mAh g^-1，并保持高容量循環(huán)超過400圈。該工作的導電骨架鍍銀灌鋰方法可普適于任何基于導電骨架的復合金屬鋰負極設(shè)計與制備，其鍍銀層可實現(xiàn)**的預置金屬鋰復合，并實現(xiàn)無枝晶、無“死鋰”的循環(huán)容貌，進而獲得在鋰硫電池等全電池體系中優(yōu)異的電化學性能，提升了儲能系統(tǒng)系統(tǒng)的安全性。

該項研究工作的通訊作者是清華大學化工系長聘教授張強和助理研究員程新兵。作者順序依次是博士生張睿、博士生陳翔、博士生沈馨、碩士生張學強、本科生陳筱薷、助理研究員程新兵、碩士生閆崇、博士生趙辰孜和張強教授。

作為《細胞》（Cell）的姊妹刊，《焦耳》是一本致力于應(yīng)對全球挑戰(zhàn)、發(fā)展可持續(xù)能源為目標，報道能源領(lǐng)域*新進展的知名學術(shù)期刊。

該項工作在北京市科委、科技部、自然科學基金委、等部門的資助下完成。清華信息科學技術(shù)國家實驗室提供了該研究所需的計算平臺。參與該項目的本科生陳筱薷獲得了清華大學大學生學術(shù)研究推進計劃中的“未來學者”，在本工作的電池表征工作中做出了重要貢獻。

張強教授課題組致力于能源材料，尤其是金屬鋰、鋰硫電池、電催化方面的研究。在金屬鋰電池領(lǐng)域內(nèi)，通過**手段研究固態(tài)電解質(zhì)膜，通過引入納米骨架、修飾表面固態(tài)電解質(zhì)保護層等方法調(diào)控金屬鋰的沉積行為，實現(xiàn)金屬鋰電池的**安全利用。這些相關(guān)研究工作先后發(fā)表在《**材料》《美國化學會會志》《德國應(yīng)用化學》《能源存儲材料》《化學》《自然通訊》《美國科學院院報》等知名期刊上。近期，該研究團隊在《化學評論》上進行了二次電池中安全金屬鋰負極評述。該研究團隊在金屬鋰負極領(lǐng)域也申請了一系列中國發(fā)明**和PCT**，形成了具有較好保護作用的**群。（信息來源：清華新聞網(wǎng)）論文鏈接:https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30047-3

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