近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所二維材料與能源器件研究組吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)與低碳催化與工程研究部劉中民、葉茂團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種二維介孔異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙功能鋰離子再分配新策略，獲得高穩(wěn)定、高容量且無(wú)枝晶的金屬鋰負(fù)極。

全球化石能源危機(jī)的不斷加劇引起了科研人員對(duì)清潔能源的日益關(guān)注和廣泛研究，其中開發(fā)高能量密度電池，推動(dòng)長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車的發(fā)展是倡導(dǎo)清潔能源、共建綠色出行的重要途徑之一。鋰金屬電池因金屬鋰負(fù)極具有高理論比容量（3860mAh/g）和低氧化還原電壓（-3.04Vvs.SHE）而被認(rèn)為是下一代高能量電池。但是，金屬鋰負(fù)極存在嚴(yán)重的鋰枝晶，且循環(huán)性能差，庫(kù)倫效率低，有安全性問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的廣泛應(yīng)用。因此，如何通過(guò)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，調(diào)控鋰離子沉積行為，實(shí)現(xiàn)均勻的鋰沉積，并延長(zhǎng)其循環(huán)壽命是目前鋰金屬電池應(yīng)用研究的主要瓶頸之一。

為了解決這個(gè)難題，吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)提出了一種二維介孔異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙功能鋰離子再分配新策略，設(shè)計(jì)并制備出二維介孔聚吡咯-氧化石墨烯異質(zhì)結(jié)新材料，利用二維介孔聚吡咯層的鋰離子有序通道和缺陷氧化石墨烯的納米篩的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了均勻的鋰離子分布，有效降低了電流密度，從而獲得了高穩(wěn)定、高容量且無(wú)枝晶的鋰金屬負(fù)極。鋰對(duì)稱電池(mPPy-GO-Li//mPPy-GO-Li)在高達(dá)1000次循環(huán)（2000h）中保持高的庫(kù)倫效率（98%），在高電流密度（10Ma/cm2）下具有平坦的電壓（70mV）曲線，且無(wú)鋰枝晶生成。劉中民、葉茂團(tuán)隊(duì)提供了電場(chǎng)模擬計(jì)算支持，證明了該二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以有效地使不穩(wěn)定的電流波動(dòng)均勻化。以該負(fù)極組裝的鋰/鈷酸鋰全電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性能。該工作為構(gòu)建安全性好、比能高、壽命長(zhǎng)的鋰金屬電池的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew.Chem.Int.Ed.）上。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、兩所融合基金項(xiàng)目、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項(xiàng)目等的資助。