鋰離子電池是新能源汽車、便攜電子設(shè)備等應(yīng)用中的核心儲能供能器件, 隨著全球向可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型的步伐加快, 鋰離子電池作為關(guān)鍵的儲能元件, 在能源領(lǐng)域的地位日益凸顯. 發(fā)展鋰電池技術(shù)是我國“碳達峰、碳中和”目標的重要內(nèi)容之一, 是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵舉措, 更是推動經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的必然要求. 自從20世紀90年代鈷酸鋰||石墨電池實現(xiàn)商業(yè)化以來, 鋰離子電池廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域, 然而, 現(xiàn)有儲能電池的能量密度普遍偏低(≤250 Wh/kg), 這已成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸. 該問題不僅限制了便攜電子設(shè)備的續(xù)航時間與新能源汽車的行駛里程, 也對其使用壽命及相關(guān)技術(shù)的深度應(yīng)用構(gòu)成挑戰(zhàn), 使其難以滿足能源市場與清潔能源存儲日益增長的需求. 突破鋰電池能量密度限制的核心, 在于開發(fā)具備高比容量且輕量化的電極材料. 鋰金屬負極因其高達3860 mAh/g的理論比容量(約為傳統(tǒng)石墨負極372 mAh/g的10倍), 是提升下一代鋰離子電池能量密度至500~800 Wh/kg的關(guān)鍵技術(shù)需求. 因此, 發(fā)展基于金屬鋰負極的下一代鋰電池是推動高比能動力電池技術(shù)進步及應(yīng)用突破的重點和前沿研究方向 [1] .

然而, 雖然高能量密度的鋰金屬電池展現(xiàn)出了重要的實用價值, 但是鋰金屬電池面臨著金屬鋰負極容量衰減速度快、循環(huán)壽命短的核心技術(shù)問題, 一方面原因是目前鋰金屬負極研究僅能達到的庫侖效率不高于99.8%, 難以滿足實現(xiàn)≥99.9%的庫侖效率的關(guān)鍵技術(shù)指標, 限制了鋰金屬電池的進一步的工業(yè)化應(yīng)用 [ 2 , 3 ] . 這主要是由于金屬鋰負極在反復(fù)電化學(xué)沉積-溶解的電極反應(yīng)過程中, 其高比例的體積變化機制會導(dǎo)致金屬鋰與電解液之間的固態(tài)電解質(zhì)膜(SEI)破損, 將高還原性的金屬鋰電極暴露于高腐蝕性的電解液中. 在固態(tài)電解質(zhì)膜破損處, 發(fā)生金屬鋰與電解液之間的(電)化學(xué)腐蝕副反應(yīng), 造成活性物質(zhì)的損耗和電極容量的衰減( 圖1 ) [ 4 , 5 ] . 目前針對鋰金屬負極穩(wěn)定性研究主要集中在鋰沉積/溶解反應(yīng)均勻性的提升以及電解質(zhì)/金屬鋰腐蝕反應(yīng)動力學(xué), 包括高性能電解質(zhì)研發(fā)和人工SEI材料設(shè)計降低界面副反應(yīng) [6] ; 金屬鋰復(fù)合負極骨架設(shè)計克服鋰金屬負極體積變化問題 [7] . 盡管當前一系列的惰性電解液結(jié)構(gòu)設(shè)計(比如氟化電解液 [8] 和局部高濃度電解液 [9] )在一定程度上緩解了電解液高反應(yīng)活性導(dǎo)致SEI破裂的問題, 但是鋰金屬負極無限的體積變化這一問題尚未得到解決.

圖1

傳統(tǒng)固體電解質(zhì)界面(SEI)與鋰金屬負極示意圖(a)和傳統(tǒng)鋰金屬負極失效機制示意圖(b) [5] .Copyright ? 2025 Nature

石墨烯作為一種新型材料, 在鋰電池、鋰硫電池、空氣電池、儲氫、超級電容器等儲能領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力. 石墨烯具有較強的機械性能、良好的柔韌性和耐化學(xué)腐蝕性, 使用石墨烯改性鋰負極有望實現(xiàn)對鋰金屬的保護. 它不僅可以提高鋰電池的能量和功率密度, 獲得更高的儲鋰容量和更好的快速充電性能, 而且可以適應(yīng)鋰金屬在電池循環(huán)過程中的體積變化和復(fù)雜的電化學(xué)環(huán)境. 近日, 我們利用層狀多孔石墨烯薄膜作為載體, 構(gòu)建了二維連續(xù)層狀孔腔結(jié)構(gòu)的氧化鋅包覆還原氧化石墨烯載體結(jié)構(gòu)( 圖2 ) [5] , 將金屬鋰負極工作機制改變?yōu)? (1) 金屬鋰在載體孔腔內(nèi)發(fā)生限域沉積-剝離反應(yīng), 同時維持電極整體體積恒定, 成功制備了在沉積-剝離過程中的體積不變的鋰金屬復(fù)合負極; (2) 通過石墨烯組裝調(diào)控形成的二維疊層孔腔結(jié)構(gòu), 將活性鋰金屬完全封裝于內(nèi)部孔洞中, 且連續(xù)的二維石墨烯-氧化鋅復(fù)合層有效消除了電解液泄漏導(dǎo)致的腐蝕現(xiàn)象, 徹底抑制了金屬鋰與電解液間的副反應(yīng). 零體積變化完全密封鋰金屬復(fù)合負極能夠完全阻隔電解液滲透, 層狀空腔載體內(nèi)的限域鋰沉積/剝離過程以及鋰沉積/剝離過程中無變化體積以及穩(wěn)定的SEI界面, 這是實現(xiàn)理想鋰保護與接近100%鋰沉積/剝離可逆性的關(guān)鍵. 基于此設(shè)計原則, 本研究開發(fā)的零體積變化全封閉載體體系, 在性能優(yōu)異的局部高濃度電解液和常規(guī)碳酸酯電解液環(huán)境中均展現(xiàn)出99.99%~99.9999%的超高鋰沉積-剝離庫侖效率, 在局部高濃度電解液中的循環(huán)穩(wěn)定性突破近2000次, 所組裝的零形變復(fù)合負極-NCM811全電池在符合實用化的正負極容量比( R N/P=2.47)條件下, 經(jīng)過1020次循環(huán)后容量保持率高達82.402%. 該技術(shù)方案成功解決了由鋰負極體積變化效應(yīng)引發(fā)的界面破裂、金屬-電解液腐蝕副反應(yīng)及電極性能衰減等關(guān)鍵問題, 破解了金屬鋰負極庫侖效率長期受限于99.9%以下的技術(shù)瓶頸, 為高比能金屬鋰電池體系中負極容量衰退快、循環(huán)壽命短等核心問題提供了突破性解決方案. 此外, 本研究提出的零體積變化全封閉載體設(shè)計通過多種表征手段證明了所提出的納米疊層孔腔載體結(jié)構(gòu)設(shè)計對金屬鋰負極循環(huán)過程中的電極體積變化機制、界面穩(wěn)定性、金屬鋰-電解液副反應(yīng)抑制具有顯著的調(diào)控優(yōu)化效果, 為實現(xiàn)長循環(huán)壽命的金屬負極基電池材料設(shè)計提供了新的研究思路.

圖2

(a, b) 零體積變化完全密封鋰負極設(shè)計示意圖, 用于解決鋰金屬負極中體積變化導(dǎo)致的低庫侖效率問題 [5] . Copyright ? 2025 Nature

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