為開發(fā)高能量密度的納米固態(tài)金屬鋰電池，解決金屬鋰電池面對的循環(huán)性和安全性難題，在科技部、國家自然科學(xué)基金委和我國科學(xué)院的大力支持下，中科院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)和納米技術(shù)院重點實驗室研究員郭玉國課題組在金屬鋰負極、固體電解質(zhì)及固態(tài)電池研究方面取得系列進展。

近年來，該課題組研究人員長期致力于金屬鋰負極的相關(guān)研究。前期的研究工作中，針對充放電過程中金屬鋰負極的不均勻溶解和沉積（即枝晶）問題，他們提出利用三維納米集流體來引導(dǎo)金屬鋰在三維電極內(nèi)部的均勻沉積和溶解的思路，成功實現(xiàn)了金屬鋰枝晶的控制(Nat.Commun.,2015,6,8058)。研究人員提出并開發(fā)了一種原位處理技術(shù)，成功在金屬鋰表面形成具有高楊氏模量、快速鋰離子輸運能力的磷酸鋰固體電解質(zhì)界面膜，有效減少了金屬鋰和電解液的副反應(yīng)，抑制了鋰枝晶的生長(Adv.Mater.,2016,28,1853)。

為進一步解決金屬鋰負極利用率低的問題，研究人員結(jié)合石墨碳材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，提出一種高效穩(wěn)定的鋰儲藏室的概念（圖1），在三維導(dǎo)電骨架上生長類洋蔥狀、石墨化的球形碳顆粒，實現(xiàn)了金屬鋰/電解質(zhì)界面的均勻調(diào)控，有效控制碳球表面金屬鋰枝晶的生長并大幅提高鋰的利用率，在負極容量僅過量5%的條件下，電池仍能長期穩(wěn)定循環(huán)，該研究結(jié)果近期發(fā)表在J.Am.Chem.Soc.(2017,139,5916)上。

為解決高面容量金屬鋰負極中枝晶生長以及循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，研究人員采用具有電化學(xué)活性的石墨化碳纖維作為多功能三維集流體，得到面容量高達8mAhcm-2且無枝晶的金屬鋰負極。由于石墨化碳纖維能降低局部電流密度并緩解體積變化，該負極在循環(huán)過程中表現(xiàn)出高庫侖效率、低電壓極化和長循環(huán)壽命，相關(guān)成果近期發(fā)表在Adv.Mater.(2017,29,1700389)上。

在金屬鋰電池用電解質(zhì)的前期研究工作中，針對金屬鋰表面自發(fā)形成的SEI在循環(huán)過程中存在不可逆降解的問題，該課題組設(shè)計出一類醚類電解質(zhì)加離子液體的混合電解質(zhì)體系，改善了金屬鋰負極的沉積行為及循環(huán)穩(wěn)定性(Adv.Sci.,2017,4,1600400)；研究人員提出一種含Al膠體粒子的功能型電解質(zhì)添加劑，通過在電解質(zhì)中添加AlCl3成功地在金屬鋰表面原位形成一層均勻、穩(wěn)定、密實的SEI膜，穩(wěn)定了金屬鋰/電解質(zhì)的界面(NanoEnergy,2017,36,411)。

為提高電池安全性并進一步解決液態(tài)電解液體系中的鋰枝晶問題，研究人員設(shè)計并構(gòu)筑了一類雙功能互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚（醚-丙烯酸酯）固體電解質(zhì)（圖3），該固體電解質(zhì)（ipn-PEA）集高機械強度（約12GPa）和高室溫離子電導(dǎo)（0.22mScm−1）于一體，使鋰的沉積/析出均衡進行。由于具有降低界面電阻和加速鋰離子傳輸?shù)碾p重用途，ipn-PEA電解質(zhì)有效地抑制了鋰枝晶生長，重塑了室溫固態(tài)鋰金屬電池的可行性(J.Am.Chem.Soc.,2016,138,15825)。

鑒于該課題組在固態(tài)金屬鋰電池方面的引領(lǐng)研究，研究人員應(yīng)ACSEnergyLett.主編邀請撰寫有關(guān)固態(tài)金屬鋰電池研究和發(fā)展前景的觀點展望文章(ACSEnergyLett.,2017,2,1385)，同時應(yīng)邀撰寫了有關(guān)金屬鋰負極中先進碳材料的綜述文章(Adv.EnergyMater.,2017,doi:10.1002/aenm.201700530)。此外，應(yīng)Adv.Sci.期刊的邀請，該課題組人員還和清華大學(xué)副教授張強合作撰寫了綜述論文，對金屬鋰電化學(xué)行為及電極設(shè)計策略進行了總結(jié)和展望(Adv.Sci.2017,4,1600445)。

圖1.金屬鋰在曲面石墨碳球上的（a）沉積過程及（b）沉積機理示意圖。

圖2.（a）石墨化碳纖維的放電曲線及沉積示意圖。（b）原始材料及（c）放電至0V后，（d）沉積2mAhcm−2后，（e）沉積8mAhcm−2后，（f）溶解4mAhcm−2后和（g）充電至1V時的電極表面形貌圖。

圖3.（a）ipn-PEA電解質(zhì)的制備（上）及鋰沉積（下）示意圖。（b）ipn-PEA電解質(zhì)的模量圖。（c）Li|ipn-PEA電解質(zhì)|LFP軟包鋰電池切割后的電壓照片。LED器件可以在軟包鋰電池彎曲試驗前（e）和后（f）被點亮。