4月18日，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)教授課題組在能源領(lǐng)域知名期刊《焦耳》（Joule）上發(fā)表了論文《用于金屬鋰電池的珊瑚狀碳纖維基復(fù)合鋰金屬負(fù)極》（Coralloid Carbon Fiber-Based Composite Lithium Anode for Robust Lithium Metal Batteries），報道了課題組在高安全高容量的復(fù)合鋰金屬負(fù)極領(lǐng)域的研究取得的重要進(jìn)展。該研究被《焦耳》選為本期封面文章，并刊登了封面圖片。

金屬鋰具有極高的理論比容量和最低的氧化還原電極電勢，因而成為了下一代高能量密度儲能電池（下一代固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、鋰空電池等）最理想的負(fù)極材料。然而，金屬鋰充放電過程中的枝晶問題和鋰與電解質(zhì)界面膜的不穩(wěn)定性嚴(yán)重降低了鋰金屬電池的循環(huán)效率，縮短了電池的使用壽命，甚至帶來了一定程度的安全隱患，嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的發(fā)展。

封面圖片采用隱喻的方式表述“復(fù)合鋰金屬負(fù)極”設(shè)計思想，基于親鋰碳纖維的復(fù)合鋰金屬負(fù)極比喻成船，能夠在熔融鋰的“海洋”中穩(wěn)定航行

最近，研究者們提出了諸多基于導(dǎo)電碳骨架或金屬骨架的金屬鋰負(fù)極。然而，很多此類骨架并未預(yù)先復(fù)合金屬鋰，而是作為無鋰集流體進(jìn)行半電池測試。這樣的無鋰集流體難以直接應(yīng)用到全電池中。因此，如何高效地將金屬鋰預(yù)先復(fù)合到集流體結(jié)構(gòu)中、形成可直接裝配為全電池的高性能復(fù)合鋰金屬負(fù)極成為了研究的重點。

清華大學(xué)張強(qiáng)教授研究團(tuán)隊針對金屬鋰電池對于復(fù)合電極的迫切需求，提出一種珊瑚狀碳纖維熔融灌鋰的復(fù)合鋰金屬負(fù)極。采用電鍍銀涂層的方法將碳纖維骨架（CF）的表面改性為親鋰表面，進(jìn)而可使液態(tài)熔融金屬鋰能夠迅速吸入具有銀涂層的碳纖維骨架（CF/Ag），從而制得高性能的復(fù)合鋰金屬負(fù)極（CF/Ag-Li）。

銀鍍層一方面可使任何導(dǎo)電骨架改性為可虹吸液態(tài)熔融鋰的親鋰導(dǎo)電骨架，另一方面還可以降低金屬鋰的沉積過電勢，獲得高倍率下優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和無枝晶無“死鋰”的循環(huán)形貌。通過原位金屬鋰沉積實驗觀察，發(fā)現(xiàn)在該復(fù)合結(jié)構(gòu)中難以形成枝晶。所提出的復(fù)合鋰金屬負(fù)極可以在10 mA cm-2和10 mAh cm-2的極端苛刻條件下以很低的極化穩(wěn)定循環(huán)超過160圈。相比常規(guī)金屬鋰負(fù)極，該復(fù)合鋰金屬負(fù)極能夠承受極端的面電流密度和面容量循環(huán)，表現(xiàn)出高安全性特征。

該復(fù)合金屬鋰負(fù)極與硫正極和磷酸鐵鋰正極等直接裝配為性能優(yōu)異的鋰硫電池和磷酸鐵鋰電池。其磷酸鐵鋰電池可在1.0 C倍率下穩(wěn)定循環(huán)超過500圈，而鋰硫電池在0.5 C下的初始放電容量可達(dá)781 mAh g-1，并保持高容量循環(huán)超過400圈。該工作的導(dǎo)電骨架鍍銀灌鋰方法可普適于任何基于導(dǎo)電骨架的復(fù)合金屬鋰負(fù)極設(shè)計與制備，其鍍銀層可實現(xiàn)高效的預(yù)置金屬鋰復(fù)合，并實現(xiàn)無枝晶、無“死鋰”的循環(huán)容貌，進(jìn)而獲得在鋰硫電池等全電池體系中優(yōu)異的電化學(xué)性能，提升了儲能系統(tǒng)系統(tǒng)的安全性。

該項研究工作的通訊作者是清華大學(xué)化工系長聘教授張強(qiáng)和助理研究員程新兵。作者順序依次是博士生張睿、博士生陳翔、博士生沈馨、碩士生張學(xué)強(qiáng)、本科生陳筱薷、助理研究員程新兵、碩士生閆崇、博士生趙辰孜和張強(qiáng)教授。

作為《細(xì)胞》（Cell）的姊妹刊，《焦耳》是一本致力于應(yīng)對全球挑戰(zhàn)、發(fā)展可持續(xù)能源為目標(biāo)，報道能源領(lǐng)域最新進(jìn)展的知名學(xué)術(shù)期刊。

該項工作在北京市科委、科技部、自然科學(xué)基金委、等部門的資助下完成。清華信息科學(xué)技術(shù)國家實驗室提供了該研究所需的計算平臺。參與該項目的本科生陳筱薷獲得了清華大學(xué)大學(xué)生學(xué)術(shù)研究推進(jìn)計劃中的“未來學(xué)者”，在本工作的電池表征工作中做出了重要貢獻(xiàn)。

張強(qiáng)教授課題組致力于能源材料，尤其是金屬鋰、鋰硫電池、電催化方面的研究。在金屬鋰電池領(lǐng)域內(nèi)，通過先進(jìn)手段研究固態(tài)電解質(zhì)膜，通過引入納米骨架、修飾表面固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)層等方法調(diào)控金屬鋰的沉積行為，實現(xiàn)金屬鋰電池的高效安全利用。這些相關(guān)研究工作先后發(fā)表在《先進(jìn)材料》《美國化學(xué)會會志》《德國應(yīng)用化學(xué)》《能源存儲材料》《化學(xué)》《自然通訊》《美國科學(xué)院院報》等知名期刊上。近期，該研究團(tuán)隊在《化學(xué)評論》上進(jìn)行了二次電池中安全金屬鋰負(fù)極評述。該研究團(tuán)隊在金屬鋰負(fù)極領(lǐng)域也申請了一系列中國發(fā)明專利和PCT專利，形成了具有較好保護(hù)作用的專利群。

論文鏈接:

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30047-3