具有更高倍率性能和稳定性的高容量锂金属电池

由韩国电工技术研究院(KERI)下一代电池研究中心的 Byung Gon Kim 博士领导的研究小组对锂金属电池的研究作为封面论文发表在国际期刊ACS Nano上。

虽然目前的锂离子电池基于嵌入机制通过将锂离子进出石墨负极来产生能量，但锂金属电池并不依赖于这种笨重的石墨，而是使用金属锂本身作为负极。由于锂金属的理论容量(3,860 mAh/g)是石墨(372 mAh/g)的 10 倍，因此在电动汽车和储能系统等需要高容量电池的领域逐渐受到关注。

尽管有这一优势，但锂在循环过程中如果储存不均匀有效，就会长成树枝状，称为锂枝晶，导致电极体积膨胀大，进而可能缩短电池的循环寿命并引起内部短路引发火灾、爆炸等安全问题。

为了解决这个问题，KERI开发了具有空心核的一维锂限制多孔碳结构，并在空心核中添加了少量具有锂亲和力的金纳米粒子。在这里，金通过优先与锂反应来控制锂的生长方向，从而诱导锂在核内沉积。此外，在壳部分形成了许多纳米尺寸的孔，以改善锂离子向核空间的移动。

在现有的空心核壳锂主体中观察到的一个主要挑战是在高倍率充电条件下，锂沉积在导电碳壳上，而不是在核内部。因此，KERI团队在外壳中引入了许多纳米级的孔隙，即使在5 mA/cm 2的大电流测试条件下，也没有锂枝晶生长的情况下，库仑效率显着提高。

Kim 博士的团队与中央大学的 Janghyuk Moon 教授合作，对这种材料设计的有效性进行了理论验证，模拟结果表明，壳孔减少了锂离子扩散长度，金纳米颗粒提高了锂的亲和力即使在高电流充电条件下，也能保持结构内部的锂沉积。此外，所设计的锂主体在 4C 倍率的高电流密度(82.5% 的容量保持率)下表现出超过 500 次循环的优异循环性能。同样值得注意的是，该技术符合实用性，因为该团队使用了具有大规模生产优势的静电纺丝技术进行材料合成。

“尽管锂金属电池具有高容量的优点，但主要由于稳定性和安全性问题，锂金属电池的商业化还有许多障碍需要克服，”金博士说。Kim 博士还说：“我们的研究非常宝贵，因为我们开发了一种大规模生产具有高库仑效率的锂金属储层的技术，用于快速充电的锂金属电池。”

KERI 研究团队的这项研究作为补充封面论文发表在 8 月版的ACS Nano上。

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