中国粉体网讯 据外媒报道，在《电化学学报》（Electrochimica Acta）上发表的一项研究中，北京化工大学和北京航空航天大学的研究人员提出了一种可扩展且具有成本效益的技术，用于制造高效的三维结构锂金属负极，为研究锂金属和潜在的其他金属负极开辟了新途径。
（图片来源：sciencedirect）
电极“圣杯”
随着笔记本电脑、手机和电动汽车的迅速发展，人们对高能量密度、长寿命储能解决方案的需求日益增长。锂金属负极具有卓越的比容量，而且重量轻、反应电位小，被视为未来锂电池电极材料的“圣杯”。然而，锂金属负极存在锂枝晶生长问题，使其商业化进程放缓。
使用锂金属电极的缺点
锂枝晶生长可能导致若干问题，比如穿透隔膜并接触正极，从而导致短路。
锂金属和电解质之间相互作用，会持续消耗活性锂金属物质和电解质，显着降低库仑效率。在循环过程中，锂枝晶会从锂片上脱落，留下一层“死”的锂镀层。这会影响库仑效率，增加锂电池内部电阻，从而降低循环效率。
在锂金属电池中，每个剥离或电镀过程的体积变化是没有限制的。因此，在实际使用锂金属负极时，最紧迫的挑战是充分控制枝晶生长，延长锂电池的循环寿命。
解决枝晶问题的不同方法
最近，人们采用不同的方法来制造锂金属负极的骨架物质，以抑制锂枝晶生长，并能承受较大的体积波动。充分开发固体电解质界面（SEI）片材，优化电解质构成，以及进行锂金属负极结构设计，都是解决锂枝晶生长问题的有效方法。
制造合成SEI片材是一种控制枝晶生长的技术，可以提高锂剥离/电镀的效率。然而，由于锂金属固有的无宿主特性，显着的体积增长，可能使内应力不断积聚，导致SEI薄片在多次循环中破碎。
近年来，在解决锂枝晶生长和体积变化方面，开发锂金属负极骨架被视为一种成功的方法。这种锂金属负极架构设计能够降低电流密度和体积增长，抑制锂枝晶生长，从而提高锂金属负极的有效性。
多孔锂宿主
采用石墨烯、碳纤维、金属氧化物、MXenes（二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物）和具有纳米工程结构的金属多孔宿主，可以形成有效的三维高孔隙率锂负极骨架，提高锂金属复合负极在高电流密度和大容量下的循环稳定性。
此外，加入金属原子，能够提高材料对锂的吸附能，使锂金属均匀形核和沉积；并提供大量的活性点来吸引锂离子，提高电化学性能。
此项研究的主要发现
本研究采用了一种新颖的原位生长方法，构建带有铁纳米颗粒的多孔碳纳米纤维载体骨架（PCNF-Fe），使基符合优化锂金属复合电极的设计标准。
PCNF-Fe基层比表面积大，具有较高的亲油性，可以成功降低锂成核过电位，为锂离子提供丰富的成核活性点。这种三维、高孔隙率的导电骨架，能够促进电子转移，有效降低局域电流密度，从而阻止锂枝晶生成和生长。
富含氧和氮的碳骨架，对锂离子具有更强的吸引力，可以促进锂均匀成核。这种多孔宿主具有开放的孔隙，能够承受循环过程中固有的体积波动，并传输锂离子。
对称性电芯评估显示出色的循环稳定性和卓越的库仑效率。根据密度泛函理论模拟，包覆铁纳米粒子的碳纳米纤维更容易吸收锂原子，使锂沉积更均匀。
（中国粉体网编辑整理/文正）
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