吴忠帅课题组：应用于高容量无枝晶金属锂负极的MXene/石墨烯气凝胶

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维材料与能源器件研究组（DNL21T3）吴忠帅课题组发展了一种三维高导电、亲锂性的MXene/石墨烯多孔气凝胶新材料，并将其应用于高锂载量、高容量、无枝晶金属锂负极，获得了高比能、长寿命锂金属电池。
　　金属锂具有超高质量理论比容量（3860 mAh g-1）和最低的氧化还原电压（-3.04 V vs. SHE），被认为是一种非常有应用前景的高比能锂电池负极材料。但由于其存在不可控的锂枝晶、死锂，以及充放电过程锂金属体积膨胀等问题，导致锂金属循环性能差，安全性能低，限制了锂金属负极在高比能锂金属电池中的实际应用。因此，如何在保持锂金属超高容量的同时，抑制锂枝晶的生长，实现均匀的锂沉积，并延长其循环寿命是目前锂金属电池应用研究的瓶颈之一。

　　该团队开发出一种三维MXene/石墨烯多孔气凝胶材料，并将其用作锂金属的载体，成功构筑出柔性的、高锂载量（3560 mAh g-1）的金属锂负极复合材料。该三维MXene/石墨烯气凝胶材料具有高比表面积（259 m2 g-1）、优异导电性、良好的亲锂性能，实现了高的库伦效率（99%），显著提高了金属锂负极的循环稳定性（2700 h），远高于目前文献中报道值。重要的是，将该锂金属负极应用到锂硫、锂/钛酸锂全电池中，都表现出高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能。这种三维高导电亲锂网络结构的设计策略为构建高能量密度、长循环寿命的锂金属电池提供了新的思路。
　　上述工作得到了国家重点研发计划、中科院洁净能源创新研究院等项目的资助。相关研究成果发表在《美国化学会·纳米》(ACS Nano)上。


       吴忠帅，男，汉族，1981年生于大连庄河。中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，国家“青年##计划”。2004年和2007年在辽宁大学化学院分获理学学士和硕士学位；2011年在中科院金属研究所获工学博士学位，师从成会明院士和任文才研究员；2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作，合作导师著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月至今，中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员、 “二维材料与能源器件（DNL21T3）”研究组组长。曾获得2011年度“中国科学院院长特别奖”，2012年度“中国科学院优秀博士学位论文”，2013年获得“Distinguished Winner of the Carbon Journal Prize 2013”（国际碳材料杰出青年科学家奖）,入选2014年国家第十一批“##计划”青年人才，2015年获得《Carbon》国际杂志2013/2014年优秀审稿人奖“Excellence in Review Award”等。同时，长期应邀作为审稿人或Adjudicative Reviewer评审Chem.Soc.Rev.、J.Am.Chem.Soc、Adv.Mater.、Energy Environ.Sci.、Sci.Rep.、Small、Chem.Mater.、Carbon、Chem.Commun.、J.Mater.Chem. A、ChemSusChem、Nanoscale、Nano Res、ACS Appl. Mat. Interfaces、Electrochem.Commun.等杂志上论文320余篇。


       锂枝晶是锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂，但是锂在负极侧出现时锂的形态不一定是锂枝晶，统称为析锂。锂枝晶生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。锂枝晶的生长会导致锂离子电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏生成的固体电解质界面（SEI）膜，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂造成低库伦效率；锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。关于锂枝晶的生长机理在学术界还存在争论。由于锂离子电池怕水怕氧，常用的表征SEI的技术手段非常有限。利用各种电镜技术在纳米尺度理解锂枝晶生长的演化过程对解决这一问题至关重要。常规的透射电镜由于高能粒子的照射，容易引起SEI及电极结构的破坏；虽然低温冷冻电镜能够解决这一问题，但是由于使用条件的限制，在实验中无法使用常温电解液，也无法实现原位观察。此外，其昂贵的设备引进费用也制约了其推广。
       有学者在前期利用原位电化学原子力显微镜（EC-AFM）对锂离子电池多种负极材料SEI膜成膜机理进行深入研究的基础上，利用SEI膜成膜电位比金属锂沉积电位更正的特点，设计了两步法研究锂枝晶的实时原位观察实验。研究者可通过利用EC-AFM实时研究以碳酸乙烯酯（EC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）为基础电解液的SEI膜的生长过程，并在此基础上进行原位锂枝晶的生长观察，通过对这两种电解液所形成的SEI膜的杨氏模量、CV图谱及EIS阻抗谱分析，结合XPS光谱分析，研究者发现FEC电解液所形成的SEI膜中含有较多的LiF无机盐，由于LiF具有较好的硬度和稳定性，使得SEI膜具有较高强度，能够有效抑制锂枝晶生长。