鋰電池在使用過程中會產(chǎn)生枝晶，枝晶斷裂不僅會導致電池容量衰減，壽命打折，還可能刺透隔膜使電池短路起火引發(fā)安全問題。南開大學梁嘉杰、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學賴超課題組合作提出了解決這一問題的新優(yōu)化策略，成功制備了具有多級結構的銀納米線—石墨烯三維多孔載體，并負載金屬鋰作為復合負極材料。這一載體可抑制鋰枝晶產(chǎn)生，從而可實現(xiàn)電池超高速充電，有望大幅延長鋰電池“壽命”。該研究成果在最新一期《先進材料》上發(fā)表。

近年來，世界各國有不少相關研究在鋰負極材料的設計合成上取得重要突破，但至今仍無法抑制金屬鋰在大電流密度充放電下枝晶產(chǎn)生以及電極體積膨脹的問題，因此鋰電池的長壽命、大容量“快充快放”依然難以逾越。

“把金屬鋰沉積到具有三維網(wǎng)絡結構的多孔集流體中構建金屬鋰復合負極材料，是目前解決上述困難的有效途徑之一。”梁嘉杰介紹說。基于此認識，課題組首次提出實現(xiàn)超高電流密度及超長循環(huán)壽命的理想金屬鋰負極三維載體材料選擇及優(yōu)化策略。他們利用石墨烯宏觀體三維網(wǎng)絡作為機械骨架，銀納米線二維網(wǎng)絡作為導電結構，通過低成本、與工業(yè)化生產(chǎn)相兼容的涂布—冷干法，制備具有多級結構的銀納米線—石墨烯三維多孔載體，并負載金屬鋰作為金屬鋰復合負極材料。

經(jīng)測試，該金屬鋰復合負極材料的比容量可達2573mAh/g；對稱電池測試中，首次實現(xiàn)了在極高電流密度40mAh/cm2下反復充放電1000周以上，并且過電勢低于120毫伏。通過電鏡觀察可以看到，該多級三維結構載體即使在極大電流充放電的循環(huán)條件下，仍能成功抑制金屬鋰負極中鋰枝晶生長以及電極體積變化。鋰離子電池在存儲過程中負極長時間的處于較低的電勢，會引起電解液在負極表面持續(xù)的分解，電池的SoC和環(huán)境溫度等因素都會影響電解液在負極表面的分解速度，從而對電池在存儲過程中可逆容量的衰降速度產(chǎn)生顯著的影響。近日德國慕尼黑理工大學的Peter Keil（第一作者，通訊作者）和Jo?rn Wilhelm（通訊作者）對三種不同正極材料的18650電池在不同SoC狀態(tài)下的存儲衰降進行了分析，研究表明鋰離子電池的存儲衰降并非與SoC狀態(tài)呈現(xiàn)正比關系，而是存在一個平臺，在這個平臺范圍內(nèi)不同SoC狀態(tài)的電池的可逆容量衰降是相同的，對衰降機理研究表明存儲過程中電解液在石墨負極表面分解消耗活性Li是導致鋰離子電池在存儲過程中可逆容量損失的主要因素。

在實驗中，Peter Keil共對三種18650電池的存儲壽命衰降進行了研究分析，三種電池的都采用石墨作為負極，正極分別采用NCA、NCM和LFP，電池的詳細信息如下表所示。實驗中為了分析SoC狀態(tài)對電池存儲壽命的影響，作者選擇了0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%和5%、45%、55%、65%、95%一共16個SoC點，存儲溫度分別選擇了25℃、40℃和50℃三個點。

 

對比三種電池我們可以看到NCA材料的電池在存儲性能上明顯好于LFP和NCM體系電池。NCM體系的電池在存儲的過程中對于溫度和SoC更為敏感，如果存儲溫度超過50℃，SoC超過70%，那么NCM體系的電池的容量衰降速度要明顯快于NCA電池和LFP電池，特別是在100%SoC時NCM電池的可逆容量衰降發(fā)生突然加速，衰降速度要遠遠大于SoC為95%的電池。從存儲過程中電池內(nèi)阻增加的狀況來看，鋰離子電池內(nèi)阻的增加受溫度的影響很大，對于NCA和NCM電池而言，電池內(nèi)阻的增加隨著存儲SoC狀態(tài)的提高而顯著增加。