中国电子科技大学探讨电极硬碳主体的锂沉积行为

在下一代高能量密度电池中，锂金属被视为理想的负极。然而，为了使其充分发挥潜力，还要克服一定的挑战。据外媒报道，研究团队探讨锂沉积行为，并围绕硬碳主体开发了一种策略，可以成功解决目前在锂金属负极开发过程中面临的一些问题。

（图片来源：SpringerLink）

中国电子科技大学的王丽平教授表示：“通过这一策略来合理设计主体和电解质，从而解决体积变化和枝晶问题，为制造锂金属负极提供了更宽阔的视角。”

锂金属具有超高理论容量、极低的电极电位和低密度，被视为富有前景的下一代电池负极。然而，锂金属受到不可控锂枝晶生长、副反应和相对无限的体积变化的影响。这些问题会降低电池的效率，使电池的循环寿命变短，甚至可能导致短路等安全风险。

长期以来，研究人员一直在探讨不同的方法，以缓解枝晶生长和体积膨胀问题，比如构建三维复合锂负极、优化电解质构成、应用人工界面膜和固体电解质等。在解决体积膨胀和枝晶生长问题方面，三维主体是最有前景的方法。在锂金属负极中，碳基材料是理想的主体候选材料，因其具有轻量化、导电率高和孔隙结构多重优势，并且电化学/化学性能稳定。但王教授表示：“即使碳基主体具有诸多优势，也不能完全解决体积膨胀和枝晶生长等问题。”

最近以来，研究人员探讨使用亲锂物质（如锌、氧化锌、铝、锡、硅、银和镁）对碳材料进行改性，并开发合适的电解质作为提高三维主体材料性能的有效方法。王教授表示：“然而，锂沉积行为及其内在机制并未得到系统的分析。”

为了更好地了解结构-行为关系，发现锂沉积行为及其内在机制，为开发高性能碳基主体电极指明方向，该团队进行了深入的研究。研究人员使用光学显微镜和扫描电子显微镜进行系统性研究，探讨碳氢化合物电极在不同表面改性和电解质作用下的锂沉积行为。研究人员发现，锂并不是自发地沉积到碳孔中。这在很大程度上取决于碳表面、电流密度、面积容量和电解质。

因此，该团队开发了一种含银的亲锂改性商用硬碳作为稳定主体。结果发现，引入亲锂位点可以引导枝晶适应生长，抑制体积膨胀。另外，研究人员发现，局部高浓度电解质被证明与锂更相容，可以优化锂沉积形态，阻止其形成枝晶。因此，在循环过程中，位于局部高浓度电解质中的银/碳氢化合物电极实现了均匀且无枝晶的锂沉积形态，并表现出良好的长期循环效率（超过316次循环）。

该团队总结道，尽管多孔碳具有容纳锂的理论空间，但是锂离子不会沉积到预期的孔隙中，因为锂原子更倾向于以爆炸性的生长模式积聚，且其强度足以撑住碳颗粒。研究人员还发现，对碳进行表面改性，可以减少成核势垒，从而部分缓解锂沉积。然而，由于这是锂沉积到亲锂碳上之后的锂-锂沉积行为，因此效率不高。该团队发现，使用局部高浓度电解质，可以更有效地实现无枝晶锂沉积。