我國科研人員研發出新型鋰電負極，有望引領下一代電池技術發展

電子發燒友網報道（文/吳子鵬）近日，中國科學院近代物理研究所方面表示，該所材料研究中心科研人員與北京航空航天大學合作，利用核徑跡技術提出了一種新型三維鋰負極框架構型。相關研究成果發表在《先進能源材料》上。

鋰負極框架結構構建示意圖，圖源：中國科學院近代物理研究所

目前，三維鋰負極框架構型是鋰金屬作為電池負極的主要研究方向之一，同時鋰金屬負極也被認為是下一代電池的理想負極。

鋰金屬負極才是未來？

負極材料是鋰離子電池的核心材料之一。在鋰電池充放電過程中，負極作為載體負責儲存并釋放鋰離子并使電流從外電路通過。在鋰電池成本中，負極材料占總制造成本的5％-15％。目前，人造石墨是負極的主要選擇，通過碳材料、膠水和添加物混和做成負極，新型負極材料有硅基負極和硬碳等。

硅基負極可用于4680系大圓柱電池。GGII分析指出，2022年硅基負極在整體負極材料中占比增速明顯，增長近3倍。硅基負極的路線主要分為硅碳負極與硅氧/碳負極，前者指的是指納米硅與石墨材料混合，后者則是用氧化亞硅與石墨材料復合。不過，硅基負極實際上也還處于商業化的初期，循環性能大都只有500-600周，不滿足1000周的標準。

比硅基負極更下一代的負極材料，被認為就是鋰金屬負極。鋰金屬具有極低的密度（0.59g/cm3）、最低的電極電位（–3.04V）和超高的理論比容量（3860mAh/g），被認為是最有前途的高能電池負極材料。不過，鋰金屬負極也存在鋰枝晶生長不可控、死鋰形成和積累、鋰金屬負極“無主”特性以及不穩定的固體電解質界面層（SEI）等問題，這些問題導致鋰金屬負極的循環和化學特性都不穩定，因此無法進行商用。

為了解決鋰金屬負極這些性能限制，三維鋰負極框架被認為是解決方案之一。三維框架由于表面積大、孔隙率高，可以有效地存儲大量的鋰，有助于鋰離子的快速傳輸。因此，構建具有三維框架的鋰復合負極來緩解鋰金屬體積變化和抑制鋰枝晶生長已被廣泛證明是一種有效的方法。

三維鋰負極框架仍需突破

三維框架可分為金屬框架、碳基框架、金屬-碳雜化框架和聚合物框架等。中國科學院近代物理研究所材料研究中心的研究人員基于蘭州重離子研究裝置（HIRFL），利用核徑跡技術構建了一種新型三維多孔復合框架結構。該結構由三維納米銅骨架和均勻分布的親鋰位點構成，將其與鋰金屬復合作為鋰離子電池負極。該復合框架結構表現出超過2000小時的長循環壽命和高速率能力。即使在高面積容量和高電流密度下，復合負極在運行600小時后仍表現出穩定的循環性能。

過往，很多三維鋰負極框架傾向于在二維平面上實現鋰沉積的均質化，而忽略了循環期間三維框架內垂直方向界面活性的差異。這些三維鋰負極框架并沒有徹底解決鋰枝晶和分布不均勻的問題。因此，研究人員致力于設計具有豐富親鋰位點的三維框架。

據介紹，中國科學院近代物理研究所材料研究中心發布的新型三維多孔復合框架結構，與同種材料的其他框架結構相比，該三維多孔復合框架結構顯著提升了鋰離子電池的電化學性能。進一步的研究表明，該復合框架結構的良好力學強度、高孔隙率和低孔隙迂曲度是電池性能提升的主要因素。

多孔實際應該算作是三維帶孔道集流體設計的一種。理論上，三維集流體結構確實能夠解決三維鋰負極框架帶來部分枝晶和無限體積變大的問題。

該所納米材料室主任、研究員段敬來表示，“探究高性能電池負極材料的理想框架構型是當前國際上的一個前沿科學問題。鋰金屬負極被認為是下一代鋰電池的理想負極材料，然而循環過程中產生枝晶等問題阻礙了其商業化應用?！睋?，該工作得到了國家自然科學基金聯合重點項目和中國科學院前沿科學重點研究計劃的支持。

近兩年，為了解決三維鋰負極框架出現的枝晶生長和衰減等問題，業界進行了大量的嘗試。除了中國科學院近代物理研究所材料研究中心，青島生物能源與過程研究所也曾實現運用三維結構石墨炔碳骨架的親鋰性和導電性，可以在銅集流體表面實現穩定的、無枝晶的金屬鋰沉積，這是一種薄層海藻狀金屬鋰負極。

測試數據表明，這種方法制備的海藻狀薄層金屬鋰與銅箔上直接沉積的塊狀金屬鋰相比，體現出較低的成核過電勢與界面阻抗，并在對稱金屬鋰電池中表現出優異的循環穩定性。由海藻狀鋰金屬負極和Li4Ti5O12作為正極組裝的全電池在1000多個循環中具有優異的容量保持率。

另外，2021年9月，華南理工大學劉軍教授等人在SCIENCE CHINA Materials發表研究論文，采用一種金屬有機框架(MOF)衍生路線，在不同的基底(如碳布和銅網)上通用地構建出親鋰三維骨架，以實現無枝晶鋰金屬負極。

不過，對于三維鋰負極框架的研究，基本都還處于實驗室階段，離真正商用還有一段距離，比如設備和材料量產等方面的突破。不過，測試數據方面，三維鋰負極框架已經體現出了自己的優勢，一旦實現商用，將進一步提升鋰電池的性能。因此，將三維鋰負極框架定義為下一代電池負極并不為過。

小結

鋰金屬負極在二次電池發展初期也曾有過商用，不過包括界面不穩定、枝晶生長等一些列問題使其未能擴大商用規模。如今，三維鋰負極框架的不斷發展有望解決這些難題。當這些創新從實驗室走向量產，鋰電池將宣布找到負極的理想答案。