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除了硫正极外,金属锂负极也是锂硫电池能否实际应用的关键。针对充放电过程中金属锂负极的不均匀溶解和沉积(即枝晶)问题,他们提出利用三维纳米铜集流体来引导金属锂在三维电极内部的均匀沉积与溶解的思想,成功实现了负极表面金属锂枝晶的控制。相关结果近日发表在Nat. Commun(2015, 6, 8058)杂志上。
研究表明,当采用具有亚微米骨架、高比表面积的三维铜箔用于金属锂的沉积时,锂负极主要沉积在三维铜箔的孔道内(> 98%),电极表面锂枝晶的生长得到了有效抑制(图2)。相比于平整铜集流体上的锂负极,限制在三维纳米铜集流体中的金属锂负极可连续工作好几百小时以上而不短路,锂的沉积效率大幅提高;电池的寿命、稳定性和安全性也得到了显著提升。这一发现揭示了锂负极集流体的作用,对设计实用的金属锂负极具有重要的指导意义。
图2 金属锂在不同集流体中的沉积
在上述基础研究的基础上,研究人员还着力于锂硫电池工程技术研发。在中国科学院战略性先导科技专项“变革性纳米制造产业技术聚焦”项目“长续航动力电池”的支持下,在化学所建立了锂硫软包电池组装线,锂硫软包电池的各项性能指标均取得了重要进展。目前可批量制备单体容量为0.5-30Ah的不同规格锂硫软包电池,其能量密度可达350-450Wh/kg,循环次数大于50次。相关锂硫软包电池已于9月3日至5日在北京召开的第六届中国国际纳米科学技术会议(ChinaNANO 2015)上展出(图3)。
图3 不同规格锂硫软包电池
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