记者15日获悉, 军事科学院, 北京大学等单位联合研究团队合成了一种完美的单层石墨烯电极, 并揭示锂原子以其为基底材料进行电沉积的行为, 填补了金属锂在碳原子晶格上异相成核的基础研究空白, 为破解锂电池产业化遭遇的锂枝晶等难题提供理论基础. 相关论文近日在线发表在《储能材料》 (Energy storage materials) 杂志上.
'锂枝晶' 会在液体锂电池中生长, 刺穿隔膜, 造成电池短路. 研究团队成员军事科学院副研究员张浩介绍, 近年的研究以多孔碳基材料构筑金属锂负极骨架的方法抑制锂枝晶生长, 但是规律紊乱, 效果有限. 原因之一是学界对金属锂在碳晶格上电沉积成核的基础研究的空白.
要明确金属锂如何在碳晶格沉积, 必须获得纯粹, 无背景干扰的生长环境. 为此, 团队中的北京大学彭海琳教授课题组合成了一个完美的碳原子基面, 利用化学气相沉积法在铜箔上生长出了单层石墨烯. 论文第一作者, 团队成员孟倩倩介绍, 单层石墨烯可以用来排除多孔碳带来的一切耦合因素对锂沉积的干扰, 进而实现对金属锂在碳晶格上的异相成核行为的清晰解读.
在此基础上, 研究团队通过非原位扫描电镜观测等方法进行了一系列基础理论探索发现, 与传统金属集流体 (电池中汇集电流的组件) 相比, 锂在完美碳基面上的成核位垒更高, 更难成核, 因此以石墨烯取代金属作为集流体或对结晶产生抑制效果.
团队还观测到碳晶格上存在的位错等缺陷能够促进锂成核, 在锂枝晶交汇点处锂存在二次成核等现象. 这些结果将帮助对金属锂在碳原子晶格上成核, 锂枝晶生长等相关机制的理解, 进而产生更为有效的三维碳骨架的金属锂负极设计策略, 解决锂枝晶生长的问题.
