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華人科學家用新型石墨烯材料作為鋰負極載體 大大改善電池循環壽命

最近,斯坦福大學崔屹教授課題組,研究了一種新型褶皺石墨烯籠載體(WGC)用於金屬鋰負極,WGC提供優異的機械強度,具有更高的離子電導率和質量更好的固態電解質界麵(SEI)。

使用冷凍電鏡表征發現,石墨烯籠載體表麵均勻穩定的SEI界麵可以防止金屬鋰與電解液直接接觸。在0.5mA/cm2電流中,在碳酸酯電解液從1-10mAh/cm2容量區間中表現出了高達98.0%的庫倫效率,並且使用預先存儲鋰的WGC電極與磷酸鐵鋰配對後,大大改善了電池的循環壽命。相關研究成以“WrinkledgraphenecagesashostsforhighcapacityLimetalanodesshownbycryogenicelectronmicroscopy”為題發表在NanoLett.上。

提起崔屹,在納米學術界幾乎無人不知。崔屹是頂級學術期刊的常客,現為美國斯坦福大學材料科學與工程係終身教授,主要從事納米材料在能源、光伏、拓撲絕緣材料、生物和環境領域的研究工作。目前崔屹已培養近60位博士和博士後,在世界範圍培養了40多位教授。

崔屹是美國材料學會會士、美國電化學會會士、英國皇家化學學會會士,世界知名科學期刊《納米快訊》副主編。已發表論文400多篇,包含《Science》《Nature》等全球頂級雜誌,被引用超過12萬次,H因子為164,授權國際專利40餘件。

鋰的枝晶與鋰電池的安全緊密相關,充電的時候如果控製得不好,金屬鋰的枝晶會長出來,像一棵樹長出樹枝,枝晶會捅破電池正負極之間的隔膜,造成短路,甚至引發爆炸。

固體電解質界麵膜(SEI)是負極材料和電解液接觸後生成的反應物,厚度約為50個納米左右。這層膜影響著電池的穩定性,決定著循環使用壽命到底是1000次還是10000次。

如果能看清金屬鋰枝晶的原子層麵,知道界麵膜的結構,就能進一步解決以金屬鋰為負極材料的鋰電池的安全問題,並使其壽命更長。

但這個問題一直困擾學界半個世紀之久。金屬鋰的熔點低,使用電子顯微鏡觀察時,電子束會將它融化,“打出一個洞”,就會破壞了原本的結構。直到冷凍電鏡的應用,終於解決了這個問題。

由於鋰電池的最高理論容量(3860mAh/g)和最低電極電位(相對於標準氫電極為-3.04V),長期以來被認為是電池負極的“聖杯”。崔屹也一直視金屬鋰為一種未來的電池負極材料,因為金屬鋰的能量密度高,如果解決了安全性等問題,可以將現在電動車電池的儲能翻倍。

然而,在充放電過程中,鋰金屬高化學反應性和大體積波動而導致低庫倫效率和低安全性,由於鋰金屬的無主體特性,在循環過程中體積膨脹導致固態電解質界麵(SEI)破裂。盡管已經采取了一些有效的策略,這些方法未能解決鋰金屬的無主體性質,這意味著鋰金屬沉積和剝離過程中沒有任何物理限製。

近期,學術界引入了鋰金屬的人造“主體”的想法,這些結構能夠減少循環期間的電極體積變化和局部電流密度,從而使充-放電期間的過電勢更低,並且SEI更穩定,但還是麵臨著“主體”結構的無定型導致機械性能差,阻抗更高和難以承載高於2mAh/cm2容量等限製。因此,研究能夠既能提高庫倫效率,又能承載更高載量的主體結構,代表著一個非常重要的方向。

崔屹課題組研究出了這種新型褶皺石墨烯籠載體用於金屬鋰負極,在低麵積容量下,鋰金屬優先沉積在石墨烯籠內,隨著容量的增加,鋰金屬致密且均勻地沉積在石墨烯籠之間的外部孔隙中,沒有枝晶生長或體積變化。石墨烯籠載體提供優異的機械強度,並具有更高的離子電導率和質量更好的固態電解質界麵,可以防止金屬鋰與電解液的直接接觸。在0.5mA/cm2電流中,在商品化碳酸酯電解液從1-10mAh/cm2容量區間中表現出了高達98.0%的庫倫效率,在使用預先存儲鋰的石墨烯籠載體電極與磷酸鐵鋰配對後,電池循環壽命大大改善。

崔屹認為目前鋰離子電池的主流正極是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰或三元材料,負極材料主要是石墨,但其能量密度是有限,最多約為300Wh/kg。接下來發展第一步是將矽取代石墨作為負極材料,可將能量密度提升至400Wh/kg;第二步,負極材料從矽換為金屬鋰,能量密度可達到500Wh/kg;第三步,正極材料改為硫,負極材料為金屬鋰,電池能量密度可達到600Wh/kg。

崔屹表示,能量密度達到500Wh/kg時,特斯拉一次充電可以開800到1000公裏,比燒油的車跑得還遠。

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