南开学者发现抑制“锂枝晶”新策略

中国科技网·科技日报天津10月23日电（记者孙玉松 通讯员马超）便携式电子设备及电动汽车的快速发展，不仅让人们越来越追求锂电池的大容量和快速充放电，更关心锂电池安全性。锂电池在使用过程中会产生枝晶，枝晶断裂不仅会导致电池容量衰减，寿命打折，还可能刺透隔膜使电池短路起火引发安全问题。南开大学梁嘉杰、陈永胜教授课题组与江苏师范大学赖超课题组合作提出了解决这一问题新优化策略，成功制备了具有多级结构的银纳米线-石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为复合负极材料。这一载体可抑制锂枝晶产生，从而可实现电池超高速充电，有望大幅延长锂电池“寿命”。该研究果在最新一期《先进材料》发表。

近年来，世界各国有不少相关研究在锂负极材料的设计合成上取得重要突破，但至今仍无法抑制金属锂在大电流密度充放电下枝晶产生以及电极体积膨胀的问题，因此锂电池的长寿命、大容量“快充快放”依然难以逾越。

“把金属锂沉积到具有三维网络结构的多孔集流体中构建金属锂复合负极材料，是目前解决上述困难有效途径之一。”梁嘉杰介绍说。基于此认识，课题组首次提出实现超高电流密度及超长循环寿命的理想的金属锂负极三维载体的材料选择及优化策略。他们利用石墨烯宏观体三维网络作为机械骨架，银纳米线二维网络作为导电结构，通过低成本，与工业化生产相兼容的涂布-冷干法，制备具有多级结构的银纳米线-石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为金属锂复合负极材料。

经测试，该金属锂复合负极材料的比容量可达2573 mAh/g；对称电池测试中，首次实现了在极高电流密度40 mAh/cm2下反复充放电1000周以上，并且过电势低于120 毫伏。通过电镜观察可以看到，该多级三维结构载体即使在极大电流充放电的循环条件下，仍能成功抑制金属锂负极中锂枝晶生长以及电极体积变化。该团队又进一步与NCM523正极材料组装，最终获得具有优异倍率性能以及高倍率循环稳定性的安全电池。