中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員李祥龍一直致力于儲能雜化材料的結構設計、系統工程、構效關(guān)系及應用探索，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制策略，采用木頭碳化和化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出一類(lèi)具有自支撐三維結構的碳納米纖維網(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(guò)程中的體積變化，還提供長(cháng)程范圍內鋰離子的均勻、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(guò)強的毛細作用提高電解液親和力，從而作為局部?jì)σ撼?，促進(jìn)鋰離子在短程范圍內的均勻分布和沉積。
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)表現出高的鋰沉積效率及循環(huán)穩定性，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(wú)枝晶、穩定地循環(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計、構建及應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(xué)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計、結構、制備及性能
