深圳先進院長效鋰金屬電池研究取得進展

近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院光子信息與能源材料研究中心電化學(xué)團隊在長效鋰電金屬池方向獲得新進展。相關(guān)成果以《快速模板化制備激光誘導(dǎo)石墨烯用于高穩(wěn)定性快速形核鋰金屬電池》(Facile Patterning of Laser-induced-Graphene with Tailored Li Nucleation Kinetics for Stable Lithium metal Batteries)為題發(fā)表在期刊《先進能源材料》(Advance Energy Materials)上,文章的第一作者是碩士研究生羿井司,通訊作者是助理研究員陸子恒和研究員楊春雷。

隨著電動汽車?yán)m(xù)航里程的增加,動力電池的能量密度也在不斷提升,目前采用的三元材料/石墨體系的鋰離子帶電池的能量密度已經(jīng)達到230Wh/kg-260Wh/kg,采用鋰金屬負極是進一步取得500Wh/kg能量密度的重要途徑。鋰金屬負極由于其具有超高的理論比容量(3860 mAh/g)以及最低的氧化還原電位(3.04 V vs. SHE),并且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能,是一種理想的負極材料,但是鋰金屬在電流密度較大的情況下會導(dǎo)致枝晶的生長,一方面會降低電池的使用壽命,另一方面鋰枝晶的過度生長會刺破隔膜導(dǎo)致正負極短路,引起嚴(yán)重的安全事故,因此,鋰枝晶問題成為鋰金屬應(yīng)用的最大阻礙。

為解決以上問題,研究團隊發(fā)展了一種通過激光直寫技術(shù)快速制備三維石墨烯集流體的方法,得益于該集流體中石墨烯的特殊缺陷化學(xué),鋰金屬的形核、生長動力學(xué)得到了有效調(diào)控。利用該技術(shù),基于磷酸鐵鋰正極的鋰金屬全電池在極高材料負載(15 mg/cm2)、有限鋰金屬供應(yīng)的情況下(N/P ratio=5),可循環(huán)250次,容量損失小于10%。該研究發(fā)展的方法能夠在空氣中進行,且能夠使用卷對卷方法大規(guī)模制備,具有工業(yè)化潛力。此外,該研究所揭示的碳缺陷化學(xué)與鋰金屬形核動力學(xué)關(guān)系對于高比能量鋰金屬二次電池的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。