锂金属被认为是下一代高能密度电池中理想的负极

电动悟空摘录 锂金属被认为是下一代高能密度电池中理想的负极。然而，为了充分发挥其潜力，我们必须克服一些挑战。据外国媒体报道，研究团队讨论了锂沉积行为，并围绕硬碳主体开发了一种战略，可以成功地解决锂金属负开发过程中面临的一些问题。

(图片来源:SpringerLink）

中国电子科技大学的王丽平教授说：通过这一策略，合理设计主体和电解质，解决体积变化和枝晶问题，为制造锂金属负极提供了更广阔的视角。

锂金属具有超高的理论容量、极低的电极电位和低密度，被认为是有前途的下一代电池负极。然而，锂金属受到锂枝晶体生长、副作用和相对无限体积变化的影响。这些问题会降低电池的效率，缩短电池的循环寿命，甚至导致短路等安全风险。

长期以来，研究人员一直在讨论不同的方法来缓解分支水晶的生长和体积膨胀，如构建三维复合锂负极、优化电解质组成、应用人工界面膜和固体电解质。三维主体是解决体积膨胀和枝晶生长问题最有前途的方法。在锂金属负极中，碳基材料是理想的主要候选材料。由于其重量轻、导电性高、孔隙结构多重优点，电化学/化学性能稳定。但王教授说：即使碳基主体有很多优点，也不能完全解决体积膨胀和枝晶生长等问题。”

近年来，研究人员讨论了利用亲锂材料（如锌、氧化锌、铝、锡、硅、银、镁）对碳材料进行改性，并开发了适当的电解质作为提高三维主要材料性能的有效方法。王教授说：然而，锂沉积及其内部机制尚未得到系统的分析。

为了更好地了解结构行为关系，发现锂沉积行为及其内部机制，为高性能碳基电极的发展指明了方向，团队进行了深入的研究。研究人员利用光学显微镜和扫描电子显微镜进行系统研究，探讨碳氢化合物电极在不同表面改性和电解质作用下的锂沉积。研究人员发现锂并没有自发地沉积在碳孔中。这主要取决于碳表面、电流密度、面积容量和电解质。

因此，该团队开发了一种含银的亲锂改性商用硬碳作为稳定的主体。结果表明，引入亲锂位点可以引导枝晶适应生长，抑制体积膨胀。此外，研究人员发现，局部高浓度电解质被证明与锂更相容，可以优化锂的沉积形式，防止其形成枝晶。因此，在循环过程中，银/碳氢化合物电极位于局部高浓度电解质中，实现了均匀、无枝晶的锂沉积形式，具有良好的长期循环效率（超过316次循环）。

该团队得出结论，虽然多孔碳具有容纳锂的理论空间，但锂离子不会沉积在预期的孔隙中，因为锂原子更倾向于以爆炸性的生长模式积累，其强度足以支撑碳颗粒。研究人员还发现，碳的表面改性可以减少为核势垒，从而部分缓解锂沉积。但由于这是锂沉积在亲锂碳上后的锂-锂沉积行为，所以效率不高。该团队发现，使用局部高浓度电解质可以更有效地实现无枝晶锂沉积。