锂离子电池研究意义（新南威尔士大学）

锂离子电池研究意义（新南威尔士大学）金属锂负极因具有较高的质量比容量（3860 mAh g−1）和较低的电化学电位（−3.04 V vs.SHE）而备受关注。以金属锂作为负极的锂金属电池被认为是极具发展前景的下一代高能电池体系。尽管金属锂负极具有高质量比容量优势，锂金属电池的实际能量密度与电极面容量密切相关。锂金属电池的面容量至少需要达到4 mAh cm−2，才有可能实现350 Wh kg−1的实际能量密度，从而具备实用价值。然而，因金属锂负极性能在较高的面容量下会迅速衰减，目前报导的多数锂金属电池的能量密度都低于3 mAh cm−2，极大削弱了锂金属电池的高能量密度优势。因此，研究金属锂负极在高面容量下循环的衰减机制，以及开发兼具高面容量和长循环寿命的锂金属电池，具有重要意义。背景介绍论文DOI：10.1126/sciadv.adc9961全文速览锂金属电池被认为是极具发展前景的下一代高能电池体系。电极面容量是衡量电池整体

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第一作者：Ruopian Fang

通讯作者：王大伟

通讯单位：新南威尔士大学

论文DOI：10.1126/sciadv.adc9961

全文速览

锂金属电池被认为是极具发展前景的下一代高能电池体系。电极面容量是衡量电池整体能量密度的重要指标，然而金属锂负极的循环性能在较高的面容量下会迅速衰减，严重制约了锂金属电池的实际能量密度。在本文中，作者定量分析了金属锂负极在不同面容量下循环时的衰减动力学，并基于不同结构的锂负极载体对循环性能的影响，提出了一个定量描述因子，阐明了能实现长寿命高面容量金属锂负极载体材料的设计原则。并基于此设计制备了超支化缺陷石墨烯阵列结构作为锂负极载体材料，在高面容量、贫电解液和低过量锂的条件下实现了锂金属电池的稳定循环。

背景介绍

金属锂负极因具有较高的质量比容量（3860 mAh g−1）和较低的电化学电位（−3.04 V vs.SHE）而备受关注。以金属锂作为负极的锂金属电池被认为是极具发展前景的下一代高能电池体系。尽管金属锂负极具有高质量比容量优势，锂金属电池的实际能量密度与电极面容量密切相关。锂金属电池的面容量至少需要达到4 mAh cm−2，才有可能实现350 Wh kg−1的实际能量密度，从而具备实用价值。然而，因金属锂负极性能在较高的面容量下会迅速衰减，目前报导的多数锂金属电池的能量密度都低于3 mAh cm−2，极大削弱了锂金属电池的高能量密度优势。因此，研究金属锂负极在高面容量下循环的衰减机制，以及开发兼具高面容量和长循环寿命的锂金属电池，具有重要意义。

本文亮点

1）定量研究了金属锂负极在不同面容量下循环时的衰减动力学，分析了金属锂负极循环过程中非活性锂（包括SEI锂和‘死’锂）的动态形成过程，并探索了不同结构的锂负极载体对循环性能的影响。阐明了金属锂负极在高面容量下的衰减机制：(1)非活性锂的累积速度随着面容量的提升会迅速增加，极大提升了金属锂负极界面阻抗；(2)当面容量提升时，非活性锂中SEI锂的比例会提升，即电解液的不可逆消耗会加快，造成电池性能的快速衰减。

2）基于金属锂负极的容量衰减阙值，提出一个定量描述因子（Closs threshold），将高面容量金属锂负极的循环寿命与其载体材料结构关联起来，提出了能实现长寿命高面容量金属锂负极载体材料的设计原则：一方面载体材料需要在宏观尺度上提供高效的互联导电网络，以抑制界面阻抗的迅速提升；另一方面载体材料的微观结构需要能够诱导金属锂的均匀沉积/剥离，以缓解电解液的不可逆消耗。

3）基于提出的载体材料设计原则，设计制备了超支化缺陷石墨烯阵列结构作为锂负极载体材料。密度泛函理论（DFT）计算表明，缺陷石墨烯结构与锂具有较强的相互作用，能诱导金属锂的均匀沉积/剥离，极大提升了锂负极循环的可逆性。同时其超支化结构能在电极内部形成交联导电网络，有效降低了界面阻抗。

4）实现了高面容量（4.2 mAh cm−2）、贫电解液（E/S ratio 5g Ah−1）和低过量锂（N/P raio 1:1）的条件下锂金属电池的稳定循环。

图文解析

图1 基于不同载体材料的金属锂负极衰减动力学分析。

图2 超支化缺陷石墨烯阵列的结构表征。

图3 超支化缺陷石墨烯阵列作为锂负极载体材料时在不同面容量下的形貌分析。

图4 基于超支化缺陷石墨烯阵列的金属锂负极ToF-SIMS表征。

图5 超支化缺陷石墨烯阵列作为锂负极载体材料的半电池性能表征。

图6 超支化缺陷石墨烯阵列作为锂负极载体材料的全电池性能表征。

总结与展望

本文通过定量分析金属锂负极循环时的衰减动力学，提出了一个定量描述因子，将高面容量金属锂负极的循环寿命与其载体材料结构相关联，阐明了能实现长寿命高面容量金属锂负极载体材料的设计原则。基于此设计制备了超支化缺陷石墨烯阵列结构作为锂负极载体材料，实现了高面容量、贫电解液和低过量锂的条件下锂金属电池的稳定循环。该工作为实用化的高能锂金属电池的设计提供了重要参考。

主要作者介绍

方若翩，2018年博士毕业于中国科学院金属研究所，现为澳大利亚新南威尔士大学讲师，研究方向为高能二次电池体系。获得澳大利亚研究理事会（ARC）发现早期职业研究员奖（DECRA），中国科学院院长特别奖。学位论文被评为中国科学院优秀博士学位论文。在Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等SCI期刊上发表论文30余篇 SCI他引4300余次。担任Carbon Neutralization青年编委。

王大伟，现为澳大利亚新南威尔士大学终身教授，澳大利亚研究理事会Future Fellow。其研究领域为可持续技术与绿色能源材料，并作为首席科学家完成多项政府和企业交叉课题。在诸多高影响力（包括自然索引期刊）材料、化学及能源领域期刊发表近200篇论文，获得超过25000次引用，h因子逾60。曾获得2020年ICESI青年科学家奖，2018至2021年全球高被引科学家，2018年AMP Tomorrow Maker Finalist，2013年Scopus工程技术领域年度青年科学家奖，并被特邀在澳大利亚国家广播电台（ABC）展望未来电池技术。

本项研究由新南威尔士大学Zhaojun Han博士提供缺陷石墨烯阵列样品，Francisco Trujillo博士协助COMSOL模拟，Soshan Cheong博士和Richard Tilley教授完成高分辨电镜分析，及长江师范大学/重庆大学李佶彪博士完成DFT模拟。