“该工作的核心在于探究金属锂负极在高面容量下的衰减机制，并尝试从锂负极载体材料设计的角度提出解决思路，以实现高能量密度锂金属电池。”对于近期发表在 Science 子刊的论文，澳大利亚新南威尔士大学化学工程学院教授王大伟团队表示。
图 | 王大伟教授（来源：王大伟）
01 为“锂金属电池”大楼打好“根基”之一
锂金属电池是一个复杂的体系，要想让其投入实际应用，需要解决包括正极材料组分调控与结构设计、负极结构设计、电解液调控、正负极容量匹配、以及电池管理系统等问题。而此次工作主要聚焦于锂金属复杂体系中的负极结构设计。
就像盖一栋大楼，该课题组能做的就是，尽量将自己所研究的这一部分的地基，打得更牢固一些。后续需要多方努力，才有望最终见证大楼的建成。
相比现在的商用型锂离子电池，作为新型高能量密度电池体系的锂金属电池，其具有更高的储能潜力，有望让手机、电脑等便携式电子设备待机时间更持久，电动汽车续航里程更长。
此外，在具有周期性和间隙性特点的可再生能源比如风能、太阳能等有效储存与转化领域，高能锂金属电池体系也有着极大的应用前景。
具体来说，此次工作针对锂金属电池这种新型的高能量密度电池体系，展开了研究和讨论。
近年来，移动电子设备、电动汽车和智能电网的快速发展，对电池能量密度提出了越来越高的要求。
当前，商用锂离子电池的能量密度已经接近理论极限。即便如此，仍难满足快速增长的市场需求。
因此，下一代高能量密度电池体系的研发，具有重要意义。对于锂金属电池来说，其采用金属锂作为负极，理论上的比容量高达 3860mAh g–1，是目前商用锂离子电池用石墨负极（372mAh g–1）的十倍以上。因此，锂金属电池有望实现能量密度的大幅提升，近年来也受到了各国学者的广泛关注。
然而，金属锂负极的实际应用，受到循环寿命差等问题的阻碍。这主要源于锂金属自身较高的化学和电化学反应活性，让其会和电解液发生持续、且不可控的副反应，从而造成活性金属锂和电解液的持续不可逆消耗、以及生成不稳定的固体电解质界面，最终导致电池的损坏。
值得注意的是，当金属锂负极具有较高的面容量时，以上这些问题会被进一步放大，也就是高容量金属锂负极的循环寿命会进一步缩短。
而较高的面容量，是实现高能量密度电池的前提条件。尽管金属锂负极具有高比容量的优势，但较高的比容量未必会带来较高的面容量。
有研究表明，锂金属电池的面容量需要达到 4 mAh cm–2 以上，才有可能实现高于 350 Wh kg–1 的能量密度，从而满足下一代电池的实际应用需求。
因此，如何在较高的面容量下，保证金属锂负极稳定的循环寿命，是锂金属电池实用化进程中的重点和难点之一。
而王大伟课题组启动本次研究的核心，在于探究金属锂负极在高面容量下的衰减机制，并尝试从锂负极载体材料设计的角度提出解决思路。
期间，他和团队先就金属锂负极在不同面容量下的衰减过程进行定量分析，借此发现了一些规律，并基于此提出了一个定量描述因子，从而将高面容量锂负极的循环寿命与锂负极载体材料结构特征关联起来。
通过进一步的对比分析，其提出了一个锂负极载体材料的跨尺度设计原则，以实现兼具高面容量和长循环寿命的锂负极。
基于该原则，该团队设计和制备了一种具有三维超支化结构的缺陷石墨烯阵列，并将其作为金属锂负极载体，在高于 6 mAh cm–2 的面容量下实现了稳定循环。
总的来说，该工作致力于解决高面容量金属锂负极循环寿命短的问题，从探索金属锂负极衰减机制的基础科学研究角度出发，将锂负极循环寿命与其载体材料结构设计，通过一个定量描述因子相关联，从而为设计高面容量、长循环寿命锂金属电池提供了理论依据。
近日，相关论文以《用于持久高能锂金属电池的超支化跨尺度石墨烯阵列的合理化设计》（Rationalized design of hyperbranched trans-scale graphene arrays for enduring high-energy lithium metal batteries）为题发表在 Science Advances 上。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
王大伟教授担任通讯作者，其团队成员方若翩博士担任第一作者。后者表示，预计在两年后结束手头的其他课题，之后可能会有回国工作的计划。
图 | 方若翩博士（来源：方若翩）
02 将探索基于高容量三元正极材料的锂金属电池体系
该团队表示，此次工作横跨了其研究锂金属电池体系的整个时间段。2019 年初，研究人员开始锂金属电池的课题。
为深入了解这个体系，其对金属锂负极的电化学行为做了一些初步探索，得到了一些定性认识和理解，但在当时并未进行深入定量的分析。
2020 年起，其又进行了一些锂负极载体材料设计的尝试。通过不断的对比试验，对于能实现兼具高面容量和长循环寿命的锂负极载体材料的设计思路，课题组已经具备初步认识。
但是，这些认识更多是基于经验。比如，第一稿论文完全从材料设计的角度来写。“但写完总觉得少了些什么，感觉我们观点的说服力不够。我们希望能为我们的材料设计思路找到一些理论依据，而不仅仅是基于经验的尝试。”该团队表示。
2020 年到 2021 年，疫情肆虐期间，实验室少则数月、多则半年地持续关闭。实验被迫停滞，论文改到半途，方博士发现少了一些数据，但也没办法及时去补。
“正是在没办法补充新数据的那段时间，我开始整理一些早期的数据。当时我们也肯定想不到那部分数据还可以这么用。但正是在‘被迫’整理早期数据的过程中，突然发现了它们与我们正在准备的论文之间的微妙联系。”她说。
通过细致深入地分析最早的一批电化学数据，并结合此前尝试过的多个体系进行对比，课题组发现了一些平时被忽视的独特小规律，并基于此提出了一个定量描述因子，将锂负极循环性能与材料设计思路关联起来。
“这样就顺理成章地为我们的材料设计思路提供了理论依据。于是我们对第一稿论文进行了大幅度的删改，加入了包括最早 2019 年初步探索的一些数据，也补充了一些相应的测试，才得到我们最后发表版论文的雏形。同时，这也是一个提高对于锂金属电池体系的理解和具象认识的过程。”研究人员表示。
对于同一个数据，可以有不同角度的分析，得出不同角度的结论。所以没必要为数据设限，也没必要为我们的思维设限，有时候停下来深入思考一些，就有可能得到意想不到的惊喜。
（来源：Science Advances）
由于此次工作的研究主体是高面容量金属锂负极。在研究最后，全电池的表征部分，采用的是磷酸亚铁锂作为正极材料、以及醚类溶剂作为电解液溶剂，以证实该团队所提出的复合锂负极结构在全电池体系中的可行性。
（来源：Science Advances）
然而，磷酸铁锂自身的比容量和电压，相比三元正极材料比如镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂等，要略低一些。
因此，为了最大程度发挥锂金属电池作为高能电池体系的优势，该团队下一步会探索基于三元正极材料的锂金属电池体系，同时电解液体系也需要进行相应的优化，以满足高电压正极的需求。
参考资料：
1.Fang, R., Han, Z., Li, J., Yu, Z., Pan, J., Cheong, S., … & Wang, D. W. (2022). Rationalized design of hyperbranched trans-scale graphene arrays for enduring high-energy lithium metal batteries. Science Advances, 8(34), eadc9961.
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