高安全复合锂金属负极研究获重要进展

四月十八日，清华大学化工系张强教授课题组在能源领域知名期刊《焦耳》（Joule）上发表了论文《用于金属锂离子电池的珊瑚状碳纤维基复合锂金属负极》（CoralloidCarbonFiber-BasedCompositeLithiumAnodeforRobustLithiumMetalBatteries），报道了课题组在高安全高容量的复合锂金属负极领域的研究取得的重要进展。该研究被《焦耳》选为本期封面文章，并刊登了封面图片。

金属锂具有极高的理论比容量和最低的氧化还原电极电势，因而成为了下一代高能量密度储能电池（下一代固态锂离子电池、锂硫电池、锂空电池等）最理想的负极材料。然而，金属锂充放电过程中的枝晶问题和锂与电解质界面膜的不稳定性严重降低了锂金属电池的循环效率，缩短了电池的使用寿命，甚至带来了一定程度的安全隐患，严重阻碍了锂金属电池的发展。

封面图片采用隐喻的方式表述“复合锂金属负极”设计思想，基于亲锂碳纤维的复合锂金属负极比喻成船，能够在熔融锂的“海洋”中稳定航行。

最近，研究者们提出了诸多基于导电碳骨架或金属骨架的金属锂负极。然而，很多此类骨架并未预先复合金属锂，而是作为无锂集流体进行半电池测试。这样的无锂集流体难以直接应用到全电池中。因此，如何高效地将金属锂预先复合到集流体结构中、形成可直接装配为全电池的高性能复合锂金属负极成为了研究的重点。

清华大学张强教授研究团队针对金属锂离子电池关于复合电极的迫切需求，提出一种珊瑚状碳纤维熔融灌锂的复合锂金属负极。采用电镀银涂层的方法将碳纤维骨架（CF）的表面改性为亲锂表面，进而可使液态熔融金属锂能够迅速吸入具有银涂层的碳纤维骨架（CF/Ag），从而制得高性能的复合锂金属负极（CF/Ag-Li）。

银镀层一方面可使任何导电骨架改性为可虹吸液态熔融锂的亲锂导电骨架，另一方面还可以降低金属锂的沉积过电势，获得高倍率下优异的循环稳定性和无枝晶无“死锂”的循环形貌。通过原位金属锂沉积实验观察，发现在该复合结构中难以形成枝晶。所提出的复合锂金属负极可以在10mAcm-2和10mAhcm-2的极端苛刻条件下以很低的极化稳定循环超过160圈。相比常规金属锂负极，该复合锂金属负极能够承受极端的面电流密度和面容量循环，表现出高安全性特点。

珊瑚状碳纤维熔融灌锂的复合锂金属负极

该复合金属锂负极与硫正极和磷酸铁锂正极等直接装配为性能优异的锂硫电池和磷酸铁锂离子电池。其磷酸铁锂离子电池可在1.0C倍率下稳定循环超过500圈，而锂硫电池在0.5C下的初始放电容量可达781mAhg-1，并保持高容量循环超过400圈。该工作的导电骨架镀银灌锂方法可普适于任何基于导电骨架的复合金属锂负极设计与制备，其镀银层可实现高效的预置金属锂复合，并实现无枝晶、无“死锂”的循环容貌，进而获得在锂硫电池等全电池体系中优异的电化学性能，提升了储能系统系统的安全性。