鋰電池在使用過程中會(huì)產(chǎn)生枝晶，枝晶斷裂不僅會(huì)導(dǎo)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(xué)梁嘉杰、陳永勝教授課題組與江蘇師范大學(xué)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(jí)結(jié)構(gòu)的銀納米線—石墨烯三維多孔載體，并負(fù)載金屬鋰作為復(fù)合負(fù)極材料。這一載體可抑制鋰枝晶產(chǎn)生，從而可實(shí)現(xiàn)電池超高速充電，有望大幅延長(zhǎng)鋰電池“壽命”。該研究成果在最新一期《先進(jìn)材料》上發(fā)表。

近年來，世界各國(guó)有不少相關(guān)研究在鋰負(fù)極材料的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(luò)結(jié)構(gòu)的多孔集流體中構(gòu)建金屬鋰復(fù)合負(fù)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?；诖苏J(rèn)識(shí)，課題組首次提出實(shí)現(xiàn)超高電流密度及超長(zhǎng)循環(huán)壽命的理想金屬鋰負(fù)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(luò)作為機(jī)械骨架，銀納米線二維網(wǎng)絡(luò)作為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，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(jí)結(jié)構(gòu)的銀納米線—石墨烯三維多孔載體，并負(fù)載金屬鋰作為金屬鋰復(fù)合負(fù)極材料。

經(jīng)測(cè)試，該金屬鋰復(fù)合負(fù)極材料的比容量可達(dá)2573mAh/g；對(duì)稱電池測(cè)試中，首次實(shí)現(xiàn)了在極高電流密度40mAh/cm2下反復(fù)充放電1000周以上，并且過電勢(shì)低于120毫伏。通過電鏡觀察可以看到，該多級(jí)三維結(jié)構(gòu)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(fù)極中鋰枝晶生長(zhǎng)以及電極體積變化。鋰離子電池在存儲(chǔ)過程中負(fù)極長(zhǎng)時(shí)間的處于較低的電勢(shì)，會(huì)引起電解液在負(fù)極表面持續(xù)的分解，電池的SoC和環(huán)境溫度等因素都會(huì)影響電解液在負(fù)極表面的分解速度，從而對(duì)電池在存儲(chǔ)過程中可逆容量的衰降速度產(chǎn)生顯著的影響。近日德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)的Peter Keil（第一作者，通訊作者）和Jo?rn Wilhelm（通訊作者）對(duì)三種不同正極材料的18650電池在不同SoC狀態(tài)下的存儲(chǔ)衰降進(jìn)行了分析，研究表明鋰離子電池的存儲(chǔ)衰降并非與SoC狀態(tài)呈現(xiàn)正比關(guān)系，而是存在一個(gè)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)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(duì)衰降機(jī)理研究表明存儲(chǔ)過程中電解液在石墨負(fù)極表面分解消耗活性Li是導(dǎo)致鋰離子電池在存儲(chǔ)過程中可逆容量損失的主要因素。

在實(shí)驗(yàn)中，Peter Keil共對(duì)三種18650電池的存儲(chǔ)壽命衰降進(jìn)行了研究分析，三種電池的都采用石墨作為負(fù)極，正極分別采用NCA、NCM和LFP，電池的詳細(xì)信息如下表所示。實(shí)驗(yàn)中為了分析SoC狀態(tài)對(duì)電池存儲(chǔ)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(gè)SoC點(diǎn)，存儲(chǔ)溫度分別選擇了25℃、40℃和50℃三個(gè)點(diǎn)。

 

對(duì)比三種電池我們可以看到NCA材料的電池在存儲(chǔ)性能上明顯好于LFP和NCM體系電池。NCM體系的電池在存儲(chǔ)的過程中對(duì)于溫度和SoC更為敏感，如果存儲(chǔ)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(shí)NCM電池的可逆容量衰降發(fā)生突然加速，衰降速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SoC為95%的電池。從存儲(chǔ)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(duì)于NCA和NCM電池而言，電池內(nèi)阻的增加隨著存儲(chǔ)SoC狀態(tài)的提高而顯著增加。