Adv. Mater. ：石墨化碳纖維作為3D多功能集流體應用于高面積比容鋰金屬負極

【引言】

鋰金屬因為其高的能量密度和低的工作電壓，一直被認為是鋰電池中最理想化的負極材料。但是，低的庫倫效率、充放電時巨大的體積變化以及鋰枝晶的安全問題，成為了限制鋰金屬負極實際應用的瓶頸。除了對電解液進行改進以穩定Li負極外，作為電池重要組成部分的集流體，也有望通過合理的結構設計來改善鋰金屬負極的電化學行為。

【成果簡介】

近日，中科院化學所郭玉國教授和湖南農業大學吳雄偉副教授（共同通訊作者）在Advanced Materials上發表題為“Graphitized Carbon Fibers as Multifunctional 3D Current Collectors for High Areal Capacity Li Anodes”研究性文章。在文中，研究者們設計了一種自支撐的3D多功能石墨化碳纖維作為鋰金屬負極的集流體，該集流體借助常規的嵌鋰和鋰沉積過程來實現Li的存儲；同時其高的比表面積能夠降低局部電流密度，有利于Li的均勻沉積；此外，3D多孔結構還能有效緩解Li負極在電化學過程中的體積變化。這種3D多功能集流體的出現為實現高面積比容Li負極的長效循環壽命提供了一種新的設計思路。

【圖文導讀】

部分名詞說明如下：

GCF（graphitized carbon fibers，石墨化碳纖維），LFP（LiFePO₄，磷酸鐵鋰）。

圖1. 石墨化碳纖維的SEM形貌圖（左）及其多功能性的示意圖（右）

圖中標尺為10 μm。

圖2. GCF極片在充放電過程中的形貌變化

a) GCF電極充放電過程的示意圖；

b) 原始GCF電極的SEM形貌圖；

c) 放電到0 V的GCF電極的SEM形貌圖；

d) 嵌入2 mA h/cm²的Li后，GCF電極的SEM形貌圖；

e) 嵌入8 mA h/cm²的Li后，GCF電極的SEM形貌圖；

f) 脫出4 mA h/cm²的Li后，GCF電極的SEM形貌圖；

g) 脫出8 mA h/cm²的Li后，GCF電極的SEM形貌圖。

圖中標尺為10 μm。

圖3. 固態電解質的電化學穩定測試

a) GCF電極的恒流充放電曲線；

b) 純Cu電極和GCF電極的循環性能對比；

c) Cu@Li, 純Li及GCF@Li三種對稱電池的恒電流沉積/剝離曲線。

圖4. 與磷酸鐵鋰組裝成全電池的充放電性測試

a) 0.2 C倍率下Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP的恒流充放電曲線；

b) 0.5 C倍率下Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP的恒流充放電曲線；

c) 1 C倍率下Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP的恒流充放電曲線；

d) Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP在不同倍率下充放電中壓的電壓滯后對比；

e) Cu@Li/LFP，Li/LFP及GCF@Li/LFP在0.5 C下的循環性能。

【小結】

為了突破Li負極在實際應用的限制，研究者們將石墨化碳纖維功能化，設計了一種自支撐的三維集流體，抑制了電化學過程中鋰金屬的不均勻沉積，緩解了Li負極充放電時的體積變化，為實現鋰金屬電池的長效循環壽命點亮了希望。

文獻鏈接：Graphitized Carbon Fibers as Multifunctional 3D Current Collectors for High Areal Capacity Li Anodes?(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201700389)

本文由材料人編輯部許名權編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！