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數(shù)月前還在談金屬鋰負(fù)極“復(fù)興”的崔屹教授，現(xiàn)在找到了更好的選擇

來源: X-MOL 2017-07-27 16:16:42

今年三月份，美國斯坦福大學(xué)的崔屹教授（點(diǎn)擊查看介紹）等人在Nature Nanotechnology 雜志上發(fā)表綜述“Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries”，暢談了金屬鋰電極的“復(fù)興”趨勢(shì)及其在高能鋰電池中的應(yīng)用（點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）。盡管還有很多問題需要解決，金屬鋰的復(fù)興勢(shì)頭似乎已經(jīng)無法阻擋。

短短的四個(gè)月后，還是Nature Nanotechnology 雜志，還是崔屹教授，卻告訴我們金屬鋰負(fù)極已經(jīng)不一定是未來高性能鋰電池的上上之選了，一種鋰合金/石墨烯納米結(jié)構(gòu)材料作為負(fù)極更穩(wěn)定，更有希望提高電池的容量和使用壽命，前景更加光明。驚不驚喜？意不意外？四個(gè)月的時(shí)間究竟發(fā)生了什么？這還讓不讓金屬鋰負(fù)極復(fù)興了啊？

言歸正傳，我們先來看看崔屹教授團(tuán)隊(duì)最新的這項(xiàng)工作。

常見的幾種鋰離子電池負(fù)極材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)石墨負(fù)極的理論容量為370 mAh?g–1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)于高容量電池的期待。硅負(fù)極膨脹系數(shù)太大，長期循環(huán)時(shí)存在安全隱患。而金屬鋰雖然理論容量很高，但反應(yīng)性高且枝晶生長難以控制、安全性不足、加工要求苛刻、空氣中穩(wěn)定性差等問題成為其發(fā)展的阻礙，大大地限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。有沒有一種材料能兼顧上述材料的優(yōu)點(diǎn)又盡量避免缺點(diǎn)呢？崔屹教授團(tuán)隊(duì)的方案是選用鋰合金LixM（M = Si、Sn、Al）與石墨烯的納米結(jié)構(gòu)材料做負(fù)極，取得了一舉多得的重大突破。

研究者先制備了鋰合金LixM的納米顆粒，隨后將其與石墨烯片層、嵌段聚合物SBS在甲苯中混合成漿料，通過滾涂、干燥等工序后，很容易就得到了大面積且無襯底的獨(dú)立箔狀材料，具有非常良好的柔性（下圖）。電鏡表征結(jié)果顯示，這種箔狀材料呈現(xiàn)獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)——石墨烯層之間緊密包裹著鋰合金納米顆粒。

由于石墨烯層的疏水性、低氣體滲透性和抗氧化性（下圖b），這種納米結(jié)構(gòu)保護(hù)了其中的鋰合金納米顆粒，使得這種材料具有良好的空氣穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，暴露在空氣中3分鐘，金屬鋰表面就從金屬光澤變?yōu)楹谏?8小時(shí)后這種鋰合金/石墨烯箔的成分依舊幾乎沒有變化（下圖c）。另外，無論在干燥還是高濕度空氣中，這種鋰合金/石墨烯箔的面積比容量都相當(dāng)穩(wěn)定，而同樣條件之下，沒有石墨烯層保護(hù)的鋰合金納米顆粒則在數(shù)小時(shí)內(nèi)就會(huì)失去大部分比容量（下圖d-f）。空氣穩(wěn)定性的大幅提高對(duì)于在工業(yè)生產(chǎn)中提高安全性、簡化生產(chǎn)條件和降低成本來說十分重要。

材料學(xué)

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