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新型復合金屬鋰電極材料問世突破大規模商業化瓶頸

時間:2016-04-26 08:45來源:科技日報作者:西顧

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以博士生梁正為骨干的研究小組首次提出“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質主體材料成功制備出一種復合金屬鋰電極，該電極可大大提高鋰電池性能。

由美國斯坦福大學著名材料學家崔屹與美國前能源部部長、諾貝爾物理獎得主朱棣文組成的研究團隊，最近在金屬鋰電極的實際應用研發方面取得重大突破。以博士生梁正為骨干的研究小組首次提出“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質主體材料成功制備出一種復合金屬鋰電極，該電極可大大提高鋰電池性能。

近年來，隨著便攜式電子設備、電動汽車及可再生能源的迅速發展，高能量能源存儲器件成為新能源新材料領域的研究熱點之一。金屬鋰具有極高的理論比容量和理想的負極電位。以金屬鋰為負極的二次電池，具有高工作電壓、高能量密度等優勢，使得金屬鋰成為當今能源存儲領域的首選材料。然而，現有鋰離子二次電池各項指標諸如容量、循環壽命、充電速度等，均不能滿足消費者日益增長的需求，因此，新型電極材料的研發成為重中之重。

新研究的復合金屬鋰電極在碳酸鹽電解液體系的循環過程中具有較小的尺寸變化、極高的比容量和良好的循環及倍率性能，其電壓曲線也相對平滑，突破了當前制約金屬鋰電池大規模商業化的主要問題，即金屬鋰與電解液的副反應，循環過程中的電極尺寸變化，以及鋰枝晶的形成。前者很大程度上降低了電池的庫倫效率，影響了其電化學性能；后兩者則會給金屬鋰電池帶來嚴重的安全隱患。

針對上述問題，該小組展開了一系列研究。經過多次嘗試后，他們將目光轉向了納米技術。研究小組對材料表面特殊浸潤性進行深入研究后，首次提出了“親鋰性”這一概念，并利用表面“親鋰化”處理的碳質主體材料，通過建立“親鋰”的界面材料體系，開創性地將金屬鋰融化之后，利用毛細作用吸入碳纖維網絡的空隙中，成功制備出含有支撐框架的復合金屬鋰電極。

復合金屬鋰電極由10%體積比的碳纖維和金屬鋰材料組成。碳纖維網絡具有良好的導電性，超高的機械強度和電化學穩定性，因此，作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。與之前的相關研究相比，梁正等人將金屬鋰融化，并依據不同材料的浸潤性所提出的“親鋰”“疏鋰”概念，為金屬鋰電極研究提供了新思路，并且對其他領域的研究具有極高的借鑒作用。

該團隊這一研究成果經美國《國家科學院院刊》在線發表后，受到業內的廣泛關注，多家媒體相繼對其進行追蹤報道，被認為是鋰電池研究領域的重大突破。現這項研究成果已申請美國發明專利。

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