华人科学家用新型石墨烯材料作为锂负极载体大大改善电池循环寿命-北极星储能网

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最近，斯坦福大学崔屹教授课题组，研究了一种新型褶皱石墨烯笼载体（WGC）用于金属锂负极，WGC提供优异的机械强度，具有更高的离子电导率和质量更好的固态电解质界面（SEI）。

（来源：微信公众号“能见Eknower”作者：能者）

使用冷冻电镜表征发现，石墨烯笼载体表面均匀稳定的SEI界面可以防止金属锂与电解液直接接触。在0.5mA/cm2电流中，在碳酸酯电解液从1-10mAh/cm2容量区间中表现出了高达98.0%的库伦效率，并且使用预先存储锂的WGC电极与磷酸铁锂配对后，大大改善了电池的循环寿命。相关研究成以“WrinkledgraphenecagesashostsforhighcapacityLimetalanodesshownbycryogenicelectronmicroscopy”为题发表在NanoLett.上。

提起崔屹，在纳米学术界几乎无人不知。崔屹是顶级学术期刊的常客，现为美国斯坦福大学材料科学与工程系终身教授，主要从事纳米材料在能源、光伏、拓扑绝缘材料、生物和环境领域的研究工作。目前崔屹已培养近60位博士和博士后，在世界范围培养了40多位教授。

崔屹是美国材料学会会士、美国电化学会会士、英国皇家化学学会会士，世界知名科学期刊《纳米快讯》副主编。已发表论文400多篇，包含《Science》《Nature》等全球顶级杂志，被引用超过12万次，H因子为164，授权国际专利40余件。

锂的枝晶与锂电池的安全紧密相关，充电的时候如果控制得不好，金属锂的枝晶会长出来，像一棵树长出树枝，枝晶会捅破电池正负极之间的隔膜，造成短路，甚至引发爆炸。

固体电解质界面膜（SEI）是负极材料和电解液接触后生成的反应物，厚度约为50个纳米左右。这层膜影响着电池的稳定性，决定着循环使用寿命到底是1000次还是10000次。

如果能看清金属锂枝晶的原子层面，知道界面膜的结构，就能进一步解决以金属锂为负极材料的锂电池的安全问题，并使其寿命更长。

但这个问题一直困扰学界半个世纪之久。金属锂的熔点低，使用电子显微镜观察时，电子束会将它融化，“打出一个洞”，就会破坏了原本的结构。直到冷冻电镜的应用，终于解决了这个问题。

由于锂电池的最高理论容量（3860mAh/g）和最低电极电位（相对于标准氢电极为-3.04V）,长期以来被认为是电池负极的“圣杯”。崔屹也一直视金属锂为一种未来的电池负极材料，因为金属锂的能量密度高，如果解决了安全性等问题，可以将现在电动车电池的储能翻倍。

然而，在充放电过程中，锂金属高化学反应性和大体积波动而导致低库伦效率和低安全性，由于锂金属的无主体特性，在循环过程中体积膨胀导致固态电解质界面（SEI）破裂。尽管已经采取了一些有效的策略，这些方法未能解决锂金属的无主体性质，这意味着锂金属沉积和剥离过程中没有任何物理限制。

近期，学术界引入了锂金属的人造“主体”的想法，这些结构能够减少循环期间的电极体积变化和局部电流密度，从而使充-放电期间的过电势更低，并且SEI更稳定，但还是面临着“主体”结构的无定型导致机械性能差，阻抗更高和难以承载高于2mAh/cm2容量等限制。因此，研究能够既能提高库伦效率，又能承载更高载量的主体结构，代表着一个非常重要的方向。

崔屹课题组研究出了这种新型褶皱石墨烯笼载体用于金属锂负极，在低面积容量下，锂金属优先沉积在石墨烯笼内，随着容量的增加，锂金属致密且均匀地沉积在石墨烯笼之间的外部孔隙中，没有枝晶生长或体积变化。石墨烯笼载体提供优异的机械强度，并具有更高的离子电导率和质量更好的固态电解质界面，可以防止金属锂与电解液的直接接触。在0.5mA/cm2电流中，在商品化碳酸酯电解液从1-10mAh/cm2容量区间中表现出了高达98.0%的库伦效率，在使用预先存储锂的石墨烯笼载体电极与磷酸铁锂配对后，电池循环寿命大大改善。

崔屹认为目前锂离子电池的主流正极是钴酸锂、磷酸铁锂或三元材料，负极材料主要是石墨，但其能量密度是有限，最多约为300Wh/kg。接下来发展第一步是将硅取代石墨作为负极材料，可将能量密度提升至400Wh/kg；第二步，负极材料从硅换为金属锂，能量密度可达到500Wh/kg；第三步，正极材料改为硫，负极材料为金属锂，电池能量密度可达到600Wh/kg。

崔屹表示，能量密度达到500Wh/kg时，特斯拉一次充电可以开800到1000公里，比烧油的车跑得还远。

原标题：著名华人科学家用新型石墨烯材料作为锂负极载体大大改善了电池循环寿命

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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