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  為開發(fā)高能量密度的納米固態(tài)金屬鋰電池，解決金屬鋰電池面臨的循環(huán)性與安全性難題。在科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的大力支持下，中科院化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員在金屬鋰負(fù)極、固體電解質(zhì)及固態(tài)電池研究方面取得系列進(jìn)展。

  近年來，該課題組研究人員長(zhǎng)期致力于金屬鋰負(fù)極的相關(guān)研究。前期的研究工作中，針對(duì)充放電過程中金屬鋰負(fù)極的不均勻溶解和沉積（即枝晶）問題，他們提出利用三維納米集流體來引導(dǎo)金屬鋰在三維電極內(nèi)部的均勻沉積與溶解的思想，成功實(shí)現(xiàn)了金屬鋰枝晶的控制(Nat. Commun., 2015, 6, 8058)。研究者提出并開發(fā)了一種原位處理技術(shù)成功在金屬鋰表面形成具有高楊氏模量、快速鋰離子輸運(yùn)能力的磷酸鋰固體電解質(zhì)界面膜，有效減少了金屬鋰與電解液的副反應(yīng)，抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)(Adv. Mater., 2016, 28, 1853)。

  為進(jìn)一步解決金屬鋰負(fù)極利用率低的問題，研究人員結(jié)合石墨碳材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，提出一種高效穩(wěn)定的“鋰儲(chǔ)藏室”的概念（圖1），在三維導(dǎo)電骨架上生長(zhǎng)類洋蔥狀、石墨化的球形碳顆粒，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰/電解質(zhì)界面的均勻調(diào)控，有效地控制碳球表面金屬鋰枝晶的生長(zhǎng)并大幅提高了鋰的利用率，在負(fù)極容量?jī)H過量5%的條件下，電池仍能長(zhǎng)期穩(wěn)定循環(huán)，該研究結(jié)果近期發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (2017, 139, 5916)上。

圖1 金屬鋰在曲面石墨碳球上的（a）沉積過程及（b）沉積機(jī)理示意圖。

  為解決高面容量金屬鋰負(fù)極中枝晶生長(zhǎng)以及循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，研究人員采用具有電化學(xué)活性的石墨化碳纖維作為多功能三維集流體，得到面容量高達(dá)8 mA h cm-2且無枝晶的金屬鋰負(fù)極。由于石墨化碳纖維能降低局部電流密度并緩解體積變化，該負(fù)極在循環(huán)過程中表現(xiàn)出高庫(kù)侖效率、低電壓極化和長(zhǎng)循環(huán)壽命，相關(guān)成果近期發(fā)表在Adv. Mater. (2017, 29, 1700389)上。

圖2 （a）石墨化碳纖維的放電曲線及沉積示意圖。（b）原始材料及（c）放電至0 V后，（d）沉積2 mA h cm?2后，（e）沉積8 mA h cm?2后，（f）溶解4 mA h cm?2后與（g）充電至1V時(shí)的電極表面形貌圖。

  在金屬鋰電池用電解質(zhì)的前期研究工作中，針對(duì)金屬鋰表面自發(fā)形成的SEI在循環(huán)過程中存在不可逆降解的問題，該課題組設(shè)計(jì)出一類醚類電解質(zhì)加離子液體的混合電解質(zhì)體系，改善了金屬鋰負(fù)極的沉積行為及循環(huán)穩(wěn)定性(Adv. Sci.,2017, 4, 1600400)；研究人員提出一種含Al膠體粒子的功能型電解質(zhì)添加劑，通過在電解質(zhì)中添加AlCl3成功地在金屬鋰表面原位形成一層均勻、穩(wěn)定、密實(shí)的SEI膜，穩(wěn)定了金屬鋰/電解質(zhì)的界面(Nano Energy, 2017, 36, 411)。

  為提高電池安全性并進(jìn)一步解決液態(tài)電解液體系中的鋰枝晶問題，研究人員設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一類雙功能互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚（醚-丙烯酸酯）固體電解質(zhì)（圖3），該固體電解質(zhì)（ipn-PEA）集高機(jī)械強(qiáng)度（約12 GPa）和高室溫離子電導(dǎo)（0.22 mS cm?1）于一體，使鋰的沉積/析出均衡進(jìn)行。由于具有降低界面電阻和加速鋰離子傳輸?shù)碾p重作用， ipn-PEA電解質(zhì)有效地抑制了鋰枝晶生長(zhǎng)，重塑了室溫固態(tài)鋰金屬電池的可行性(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15825)。

圖3 （a）ipn-PEA電解質(zhì)的制備（上）及鋰沉積（下）示意圖。（b）ipn-PEA電解質(zhì)的模量圖。（c）Li|ipn-PEA電解質(zhì)|LFP軟包電池切割后的電壓照片。LED器件可以在軟包電池彎曲試驗(yàn)前（e）與后（f）被點(diǎn)亮。

  鑒于該課題組在固態(tài)金屬鋰電池方面的引領(lǐng)研究，研究人員應(yīng)ACS Energy Lett.主編邀請(qǐng)撰寫關(guān)于固態(tài)金屬鋰電池研究和發(fā)展前景的Perspective文章(ACS Energy Lett., 2017, 2, 1385)，同時(shí)應(yīng)邀撰寫了關(guān)于金屬鋰負(fù)極中先進(jìn)碳材料的Adv. Energy Mater.綜述文章(Adv. Energy Mater., 2017, doi: 10.1002/aenm.201700530)。此外，應(yīng)Adv. Sci.期刊的邀請(qǐng)，該課題組人員還與清華大學(xué)張強(qiáng)副教授合作撰寫了綜述論文，對(duì)金屬鋰電化學(xué)行為及電極設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了總結(jié)和展望 (Adv. Sci. 2017, 4, 1600445)。

  論文鏈接：

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.7b00175

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201700530/abstract

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201600445/abstract