中國科學院國家納米科學中心研究員李祥龍一直致力于儲能雜化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)工程、構(gòu)效關(guān)系及應(yīng)用探索，包括鋰離子及鋰金屬電池。最近，由葉脈獲得啟示，李祥龍及其團隊提出一種宿主空間調(diào)制策略，采用木頭碳化和化學氣相沉積技術(shù)制備出一類具有自支撐三維結(jié)構(gòu)的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列(CTC)，用于鋰金屬復合負極。該三維宿主材料模仿葉脈中的“協(xié)作分工”，一方面，低迂曲度碳質(zhì)微溝道不僅可容納充放電過程中的體積變化，還提供長程范圍內(nèi)鋰離子的均勻、直接和快速輸運通道;另一方面，均勻覆蓋的碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)通過強的毛細作用提高電解液親和力，從而作為局部儲液池，促進鋰離子在短程范圍內(nèi)的均勻分布和沉積。
基于碳質(zhì)微溝道和碳納米纖維的空間協(xié)同及鋰離子輸運和分布的分工協(xié)作，CTC可承受極端的面負載和面電流密度，在不同高面負載和高電流密度下(分別高達40 mAh/cm2和40 mA/cm2)表現(xiàn)出高的鋰沉積效率及循環(huán)穩(wěn)定性，且兼具高安全特征。比如，其在電流密度為10 mA/cm2和面容量為30 mAh/cm2的極端苛刻條件下可以以很低的極化、無枝晶、穩(wěn)定地循環(huán)1080圈以上，基于CTC和鈷酸鋰正極組裝的全電池在商業(yè)水平的負載條件下(3.4 mAh/cm2)循環(huán)200圈后容量保持率仍高達86%(400圈為79%)。上述研究為高性能鋰及其他金屬負極的設(shè)計、構(gòu)建及應(yīng)用提供了一種新思路和新途徑。
該項工作以Spatially Hierarchical Carbon Enables Superior Long-Term Cycling of Ultrahigh Areal Capacity Lithium Metal Anodes為題于2月11日發(fā)表在Matter上。該研究得到國家自然科學基金委、中科院等的支持。
碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋的低迂曲度碳質(zhì)微溝道垂直陣列的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、制備及性能
