清华Advanced Materials 新进展——石墨烯基金属负极抑制锂金属电池枝晶生长

材料牛注：清华大学的研究人员提出了一种锂金属电池用石墨烯基金属负极，以抑制锂枝晶生长，改善电化学性能。

清华大学化学工程系的张强教授认为：“目前广泛使用的锂离子电池不能满足便携式电子产品和电动汽车日益增长的能量存储需求。因此，科学家们加大了对锂-硫和锂-空气电池等使用金属锂负极储能器件的研究。

锂金属的理论比容量非常高，几乎是石墨的10倍以上。然而，在循环过程中锂枝晶的生长不仅严重阻碍了锂金属负极的实际应用，同时也导致了安全问题。锂枝晶的形成不仅使循环效率降低，还可能导致内部短路而引起火灾。”枝晶的生长和固体电解质中间相的不稳定会消耗大量的锂金属和电解质，进而导致电池容量的不可逆损失。因此，非常有必要抑制锂枝晶的生长。

人们通过电解质改性、人造固体电解质中间相、电极结构等手段抑制锂枝晶的生长。“我们注意到，通过降低局部电流密度，可以对其进行有效抑制。基于这样的想法，我们采用具有超高比表面积的非堆叠的柱撑石墨烯，来搭建纳米级别的电池负极。这个方法非常有效，此外，我们采用双盐电解质，以获得更稳定和更具适应性的固体电解质中间相，来阻止锂金属和电解质进一步的反应。”张睿介绍到。

这种石墨烯负极的优点在于：
（1）由于比表面积达1666 m2 g-1，石墨烯负极上的电流密度超级低（只有传统铜箔基负极的万分之一），因此可以有效抑制枝晶生长，使锂均匀沉积；
（2)  非堆叠的柱撑石墨烯的高孔隙体积(1.65 cm3 g-1)使得其循环容量稳定在4.0 mAh mg-1，是石墨作负极时的10倍以上(0.372 mAh mg-1)；
（3）高电子电导率（435S cm-1）使界面阻抗降低，充放电性能更稳定并提高了循环效率。

该项工作的共同作者程新兵说：“我们希望这项研究能够为处理锂枝晶难题提供新的思路。由于纳米结构导电负极比表面积高，使得局部电流密度非常低，从而提高锂金属负极的稳定性和电化学性能。”未来的研究需要设计出更好的负极结构，并研发更多的固体电解质相间保护层。研究人员还呼吁进一步研究锂离子和电子在锂沉积和脱离过程中的扩散行为，以促进锂金属负极的商业应用。

这项工作发表在Advanced Materials上。

本文由材料人编辑部王宇提供素材，黄语嫣编译，清华大学张强教授指导。

本文参考地址：Safe lithium-metal batteries with graphene