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  由于金屬鋰的高理論容量和低電位，深入研究開(kāi)發(fā)可實(shí)用金屬鋰負(fù)極不僅可以直接提升電池能量密度，還可啟用大容量無(wú)鋰正極材料的應(yīng)用，如空氣和硫正極等。目前金屬鋰負(fù)極的主要問(wèn)題在宏觀上表現(xiàn)為實(shí)際工作時(shí)庫(kù)倫效率低、循環(huán)壽命短、安全性差，在微觀上表現(xiàn)為“死鋰”和“鋰枝晶”的出現(xiàn)，這歸因于金屬鋰的副反應(yīng)和鋰離子的不均勻不可控沉積。

  針對(duì)金屬鋰沉積不均勻不可控的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多著名研究小組提出了多種在一定程度上行之有效的方法，西安交通大學(xué)韓曉剛教授也在這方面進(jìn)行了有益探索。最近他提出了一種或許能令人萌生啟發(fā)的解決方案。如圖1所示，首先在潔凈的銅集流體（Cu）上靜電噴涂約2微米的聚酰亞胺（PI）納米顆粒密堆層，然后在該P(yáng)I密堆層上靜電紡絲約1微米的聚丙烯腈（PAN）納米纖維緊固層。設(shè)計(jì)PI密堆層從電解液中吸附鋰離子直至飽和；沉積時(shí)，吸附的鋰離子在電場(chǎng)作用下，順勢(shì)穿過(guò)PI顆粒間隙，均勻涌向下面的Cu集流體，得電子、成核、沉積；而PI層內(nèi)的鋰離子通過(guò)吸附從電解液得到補(bǔ)充。這樣，鋰離子經(jīng)PI密堆層的誘導(dǎo)得到均勻穩(wěn)定沉積。PAN緊固層是為了加強(qiáng)PI密堆層的牢固性，防止PI納米顆粒散落。

圖1. PAN/PI/Cu電極構(gòu)造示意圖

  上述設(shè)計(jì)預(yù)期得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖2中曲線數(shù)據(jù)顯示了PAN/PI/Cu與金屬鋰片組成對(duì)稱(chēng)電池（起始時(shí)一極無(wú)鋰）的鋰離子沉積/剝離的循環(huán)測(cè)試結(jié)果。可以看出，相對(duì)于裸銅電極以及只有PI納米顆粒噴涂的Cu電極，設(shè)計(jì)電極在1 mA/cm²，1 mAh/cm²和2 mA/cm²，2 mAh/cm²都表現(xiàn)出了穩(wěn)定的循環(huán)性。圖2中掃描電子顯微鏡照片從微觀上顯示金屬鋰的均勻沉積形貌，以及剝離后清晰的電極結(jié)構(gòu)�；诿芏确汉碚摰哪M計(jì)算也證實(shí)了PI對(duì)鋰離子存在明顯的吸附作用。

圖2. 設(shè)計(jì)金屬鋰電極的沉積/剝離的循環(huán)性測(cè)試及其相應(yīng)SEM圖像

  該工作發(fā)表在新一期的J. Mater. Chem. A，由西安交通大學(xué)韓曉剛教授課題組完成，第一和共同第一作者分別是助理研究員沈飛博士和碩士生王凱銘。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta13678a#!divAbstract