單層石墨烯電極 可避免鋰電池短路

張佳星

筆者7月15日獲悉，軍事科學院、北京大學等單位聯(lián)合研究團隊合成了一種完美的單層石墨烯電極，并揭示鋰原子以其為基底材料進行電沉積的行為，填補了金屬鋰在碳原子晶格上異相成核的基礎(chǔ)研究空白，為破解鋰電池產(chǎn)業(yè)化遭遇的鋰枝晶等難題提供理論基礎(chǔ)。相關(guān)論文近日在線發(fā)表在《儲能材料》雜志上。

鋰枝晶會在液體鋰電池中生長，刺穿隔膜，造成電池短路。研究團隊成員軍事科學院副研究員張浩介紹，近年的研究以多孔碳基材料構(gòu)筑金屬鋰負極骨架的方法抑制鋰枝晶生長，但是規(guī)律紊亂、效果有限。原因之一是學界對金屬鋰在碳晶格上電沉積成核的基礎(chǔ)研究的空白。

要明確金屬鋰如何在碳晶格沉積，必須獲得純粹、無背景干擾的生長環(huán)境。為此，團隊中的北京大學彭海琳教授課題組合成了一個完美的碳原子基面，利用化學氣相沉積法在銅箔上生長出了單層石墨烯。論文第一作者、團隊成員孟倩倩介紹，單層石墨烯可以用來排除多孔碳帶來的一切耦合因素對鋰沉積的干擾，進而實現(xiàn)對金屬鋰在碳晶格上的異相成核行為的清晰解讀。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過非原位掃描電鏡觀測等方法進行了一系列基礎(chǔ)理論探索發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)金屬集流體（電池中匯集電流的組件）相比，鋰在完美碳基面上的成核位壘更高、更難成核，因此以石墨烯取代金屬作為集流體或?qū)Y(jié)晶產(chǎn)生抑制效果。

團隊還觀測到碳晶格上存在的位錯等缺陷能夠促進鋰成核、在鋰枝晶交匯點處鋰存在二次成核等現(xiàn)象。這些結(jié)果將幫助對金屬鋰在碳原子晶格上成核、鋰枝晶生長等相關(guān)機制的理解，進而產(chǎn)生更為有效的三維碳骨架的金屬鋰負極設(shè)計策略，解決鋰枝晶生長的問題。