隨著現代電子設備、電網存儲和電動汽車的快速發(fā)展，對高能量密度電池的需求變得比過去任何時候都更加緊迫。鋰-氧電池具有超高的理論能量密度，而被認為是下一代電力系統的主力軍，但目前仍無法在保持高能量存儲能力的同時保證鋰負極的安全性和循環(huán)效率。

目前為解決這些問題，一方面是嘗試在鋰金屬表面制備保護膜以提高鋰/電解質界面的穩(wěn)定性;另一方面則是探索合金鋰負極如鋰化硅和鋰/石墨烯復合物來代替金屬鋰。然而，這兩種方法都需要引入電化學惰性或低容量的第二組分，大大降低活性鋰的負荷量和利用率，導致了低比容量，這與研究高能量密度的Li-O2電池的初衷背道而馳。因此，急需研究可以保持高比容量的同時提高安全性和循環(huán)效率的電池系統。

近日，復旦大學彭慧勝教授團隊為克服這一挑戰(zhàn)，將取向碳納米管交叉堆疊成多孔網絡，用于形成超高容量的鋰負極。該新型負極具有高達3656mAh/g的可逆比容量，接近純鋰的理論容量3861mAh/g。

當該負極用于鋰氧全電池時，由于無枝晶產生和穩(wěn)定的固體電解質界面，循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高。這項工作通過設計一維導電納米材料的交叉堆疊和對齊結構，推進了高性能鋰-氧電池向實際應用的發(fā)展。該成果近日以題為“Stabilizinglithiumintocross-stackednanotubesheetswithultra-highspecificcapacityforlithiumoxygenbattery”發(fā)表在知名期刊Angew.Chem.Int.Ed上。論文共同第一作者為葉蕾和廖萌，復旦大學彭慧勝教授為論文通訊作者。

圖一：不同鋰金屬負極鋰電池的結構變化示意圖

復旦大學彭慧勝Angew.Chem.Int.Ed：交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池

(a)在傳統的鋰金屬(藍色圓柱體)負極中，鋰離子(藍色顆粒)易聚集在鋰突起尖端，形成鋰枝晶、“死鋰”、SEI斷裂(橙色)和O2穿越效應;(b)在Li/3D-CSC負極中，Li能均勻沉積在3D-CSC骨架上，形成穩(wěn)定度高的光滑界面。

圖二：Li/3D-CSC負極表征

復旦大學彭慧勝Angew.Chem.Int.Ed：交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池

(a)沉積和剝離過程中Li/3D-CSC負極的充放電曲線(原始狀態(tài)、Li初步負載、Li進一步負載和剝離四個代表性狀態(tài));(b)在上述四種狀態(tài)下Li/3D-CSC負極的XRD譜圖;(c-d)3D-CSC原始狀態(tài)表面和橫截面的SEM圖;(e-f)在(a)中標記為“Li初步負載”的Li/3D-CSC表面形態(tài)和高倍數的SEM圖;(g-h)在(a)中標記為“Li進一步負載”的Li/3D-CSC的表面和橫截面SEM圖;(i-j)Li剝離完全后的3D-CSC表面形態(tài)和高倍數的SEM圖。

圖三：Li/3D-CSC負極電化學表征

復旦大學彭慧勝Angew.Chem.Int.Ed：交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池

(a)3D-CSC從2498mAh/g(0.5mAh/cm2)到3656mAh/g(5mAh/cm2)的鋰負載容量;(b)在電流密度為1mA/cm2時，面容量為1mAh/cm2的Li/3D-CSC和Li/Cu箔的庫侖效率對比;(c)3種對稱電池(Li/3D-CSC、Li/Cu和Li箔)在1mA/cm2和1mAh/cm2下的鋰沉積/剝離曲線;(d)Li/3D-CSC負極在電流密度從1A/g增加到15A/g時的倍率性能;(e)Li/3D-CSC負極與其他Li-O2電池負極的質量/體積比容量對比。

圖四：電場仿真模擬和結構穩(wěn)定性

復旦大學彭慧勝Angew.Chem.Int.Ed：交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池

(a-b)常規(guī)Li箔和3D-CSC的電場分布模型;(c-d)Li在Cu箔和3D-CSC表面上的沉積行為示意圖;(e-g)在給定的Li沉積厚度下，Li枝晶對不同CNT框架結構(即3D-CSC，平行堆疊的CNT薄膜和隨機分散的CNT膜)的范式等效應力分布。

圖五：基于常規(guī)Li和Li/3D-CSC負極的Li-O2全電池的電化學性能

復旦大學彭慧勝Angew.Chem.Int.Ed：交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池

(a)基于Li/3D-CSC負極的Li-O2電池的充放電曲線;(b)基于Li箔負極的Li-O2電池的充放電曲線;(c)Li-O2全電池在(a)和(b)中的相應循環(huán)性能。

圖六：循環(huán)后Li箔和Li/3D-CSC負極的表征

復旦大學彭慧勝Angew.Chem.Int.Ed：交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池

(a)SEM圖和示意圖顯示了循環(huán)后Li箔和Li/3D-CSC負極的形態(tài);(b)Li箔和Li/3D-CSC負極循環(huán)后的紅外吸收光譜;(c-d)在Li-O2電池中循環(huán)后，Li箔和Li/3D-CSC負極SEI的XPS表征。

綜上所述，作者通過為超高容量鋰負極設計交叉堆疊和多孔結構，展示了一種通用的、有前途的策略。這種結構結合了高比表面積、周期性孔隙率、低質量密度和高結構穩(wěn)定性等優(yōu)點，可應用于各種一維導電納米材料。該Li/3D-CSC負極顯示出意想不到的接近純鋰的理論值的比容量，且具有很高的穩(wěn)定性。Li-O2電池采用該負極時，由于其無枝晶形態(tài)和穩(wěn)定的SEI，循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高。這項工作可能為充分利用Li-O2電池的優(yōu)勢為未來的應用開辟一條新的途徑。