研究背景

雖然鋰離子電池已經(jīng)研究了三十多年了，但其有限的能量密度從某種程度上來說還是不能滿足當(dāng)前電動汽車的續(xù)航里程焦慮。因此，開發(fā)安全、可靠、低成本、高能量密度的電池已成為當(dāng)務(wù)之急。

其中，金屬鋰陽極的理論容量高達(dá)3860.0 mAh/g，氧化還原電位低至?3.040 V（vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極，SHE）而備受研究者和企業(yè)的關(guān)注。

然而，鋰金屬陽極在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，如：不均勻的鋰沉積，固體電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定，循環(huán)過程中不斷的體積變化等。

為了解決以上問題，研究者開發(fā)了各種方法，如：引入3D宿主材料、構(gòu)建人工固體電極界面、設(shè)計(jì)固態(tài)電解質(zhì)等。在上述策略中，具有三維自支撐骨架和高電子導(dǎo)電性的材料在抑制鋰金屬陽極枝晶生長方面表現(xiàn)不錯，這是因?yàn)榫植侩娏髅芏鹊玫浇档?，體積膨脹的空間增大。

到目前為止，已經(jīng)報(bào)道了各種3D自支撐材料，并可分為金屬基（泡沫銅、泡沫鎳等）。碳基（碳納米管、石墨烯、氧化還原石墨烯、碳布、多孔炭等）。對于金屬基3D基板，質(zhì)量重，體積大限制了電池的體積能量密度和質(zhì)量能量密度，而柔韌性和力學(xué)性能較差阻礙了鋰金屬陽極的實(shí)際應(yīng)用。與金屬襯底相比，碳基襯底可以彌補(bǔ)這些缺陷，并且具有使用范圍廣、成本低、導(dǎo)電率高、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能好和質(zhì)量密度低等優(yōu)點(diǎn)。

圖片來源：Energy Storage Materials

內(nèi)容簡介

商用碳布具有三維結(jié)構(gòu)、柔韌性好、導(dǎo)電性好、價格便宜、自支撐性等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)用金屬鋰電池的理想選擇。然而，關(guān)于金屬鋰電池用碳布的親鋰性改性的綜述和展望仍未見報(bào)道。本文對碳布基鋰金屬電池的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并展望未來的發(fā)展前景。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）慈立杰/李德平等人根據(jù)碳布作為鋰金屬陽極宿主的不同改性機(jī)理，從三個方面對其進(jìn)行了綜述。第一部分中，介紹了碳布直接用作鋰金屬負(fù)極以及碳布作為負(fù)極時發(fā)生LixC反應(yīng)的機(jī)理。第二部分介紹了碳布表面雜原子摻雜和官能團(tuán)引入的表面改性策略以及表面納米級裂紋的構(gòu)建，并總結(jié)了它們的共同特點(diǎn)。第三部分，分兩節(jié)介紹了使用親鋰但非反應(yīng)性材料（CNT、摻雜雜原子的石墨烯等）和親鋰并反應(yīng)性材料（Zn、ZnO、CuO、CoO、TiO2等）對碳布進(jìn)行改性以構(gòu)建表面納米結(jié)構(gòu)的鋰金屬陽極改性策略，并通過相同類型的工作闡明了其內(nèi)在機(jī)理。作者得出結(jié)論，使用雜原子摻雜和納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建可以顯著提高碳布的親鋰性，并有助于提高其對稱電池的長循環(huán)壽命和循環(huán)容量保持率。

內(nèi)容詳情

由于本文是綜述性文章，內(nèi)容較多，感興趣的讀者可自行下載原文閱讀。

鋰金屬電池用碳布的改性策略（圖片來源：Energy Storage Materials）

碳布基金屬鋰電池的發(fā)展路線（圖片來源：Energy Storage Materials）

附：

參考文獻(xiàn)：

Zhang S, Xiao S, Li D, et al. Commercial carbon cloth: an emerging substrate for practical lithium metal batteries[J]. Energy Storage Materials, 2022.

文獻(xiàn)鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829722001532?via%3Dihub

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