近日,中國科學院大連物理化學研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T、鄭雙好副研究員團隊,設(shè)計了三維多孔導電親鋰的Ti3C2Tx MXene骨架用于高容量、無枝晶金屬鋰負極,匹配三維多孔導電、超高載量磷酸鐵鋰正極,研制出高能量密度、長壽命鋰金屬電池。
鋰金屬電池因金屬鋰負極具有高理論比容量(3860 mAh/g)和低氧化還原電壓(-3.04V vs. SHE)而被認為是下一代高能量電池。然而,由于其存在不可控的鋰枝晶、死鋰,以及充放電過程鋰金屬體積膨脹等問題,導致鋰金屬循環(huán)性能差,安全性能低,限制了鋰金屬負極在高比能鋰金屬電池中的實際應(yīng)用。此外,傳統(tǒng)的刮涂法制備出的正極活性物質(zhì)載量有限(20mg/cm2),面積容量往往低于4mAh/cm2,使得鋰金屬電池的面積能量密度較低。因此,如何同時獲得穩(wěn)定的無枝晶鋰負極和匹配的高載量正極,以實現(xiàn)長壽命和高能量密度的鋰金屬電池,仍面臨挑戰(zhàn)。
本工作中,該團隊研制了3D打印Ti3C2Tx MXene框架沉積的鋰金屬負極與超厚磷酸鐵鋰框架正極,構(gòu)筑出高面積能量密度、長壽命鋰金屬電池。研究發(fā)現(xiàn),MXene導電骨架的親鋰特性能夠調(diào)節(jié)局部電流分布,均勻化鋰成核與沉積,形成均勻的富LiF固體電解質(zhì)界面層和穩(wěn)定的鋰/電解質(zhì)界面,實現(xiàn)了高容量(30mAh/cm2)、高穩(wěn)定(>4800h循環(huán))且無枝晶的鋰金屬負極。3D打印磷酸鐵鋰電極(載量171mg/cm2)具有三維多孔導電框架結(jié)構(gòu),促進了電子傳輸動力學速率,降低了厚電極中的離子傳輸距離,提高了活性材料的利用率,從而有效地提高了鋰金屬電池的電化學性能。所匹配的鋰金屬全電池(鋰負極過量50%)表現(xiàn)出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度,遠高于目前文獻中報道值。本工作通過3D打印同時解決了鋰金屬負極不穩(wěn)定和正極面容量較低的問題,為研制長壽命、高比能鋰金屬電池提供了一條可行的途徑。
原標題:中科院大連物化所研制3D打印高比能鋰金屬電池