曲良体Nano Energy：一种智能，防刺穿和消除锂枝晶的锂金属电池

xieyu

商业的锂离子电池（LIBs）是一种不可缺少的储能器件，对日常生活有着深远的影响。除了能量密度和循环寿命之外，人们越来越关注LIBs的功能性和安全问题。显然，传统的LIBs仅具有供电能力而不能满足上述的要求。因此，开发具有多功能，自我保护和自适应能力的智能电池是非常有必要的。一方面，智能电池既能供电又具有多种功能性，如可形变、可穿戴、可打印、刺激响应、自愈合、自充电、一体化和微型化等，显著地拓宽了它们的实际应用。另一方面，短路、过热、起火甚至爆炸等问题严重阻碍了LIBs在现实生活中的应用，并危及用户的安全。幸运地是，智能电池有效地解决了这些问题。例如，在遇到高温时电池自动断路，或者使用阻燃的电解液/隔膜来抑制电池的燃烧等。然而，由于复杂的制备工艺、高成本和不可靠的循环稳定性，这些方法依然受到了严峻的挑战。尤其是将阻燃剂加入到电解液中，不仅降低了电解液的离子传导率，而且牺牲了电池的比能量。因此，发展简单而有效的策略，既确保电池的安全性又维持其原有的电化学性能，值得科学家们进一步地探讨。

就能量密度而言，石墨负极低的理论比容量（372 mAh g–1）限制了商业化LIBs的实际应用。金属锂具有超高的理论比容量（3860 mAh g–1）、低密度（0.59 g cm–3）和最低的电极电势（–3.04 V，对比标准氢电极），是石墨理想的替代者。因此，以锂为负极的锂金属电池（LMBs）受到了广泛的关注。然而，在反复的嵌锂/脱锂过程中，锂枝晶的形成和生长降低了LMBs的循环稳定性和使用寿命，甚至刺穿隔膜引发短路、过热等安全问题。因此，科学家们采取了各种各样的方法来抑制锂枝晶的生长，包括优化液态电解液，使用固态电解质，构建人工SEI层，发展3D的锂，修饰隔膜等。

在大自然中，穿刺一个生物是致命的。类似地，当刺穿LMB时，柔软的金属Li很容易和正极接触，导致电池的短路。因此，发展抗刺穿和消除锂枝晶的LMB，同时保持其原有的能量密度，具有非常重要的现实意义。

近日，北京理工大学曲良体课题组开发了一种智能、抗穿刺和消除锂枝晶的“锰酸锂/氧化石墨烯/锂（LMO/GO/Li）”电池。它以锰酸锂为正极，锂片为负极，三明治结构的“聚丙烯微孔膜/GO膜/聚丙烯微孔膜”为隔膜。刺穿LMO/GO/Li电池形成了一个贯穿电池的孔洞，中心的锂被挤出，边缘的锂被GO层阻挡进而被化学刻蚀。因此刺穿之后的LMO/GO/Li电池依然可以正常地工作而没有短路。此外，在长期的循环过程中，中间的GO层还能有效地消除锂枝晶，避免了电池的短路。于是，LMO/GO/Li电池能可逆地充/放电达6000圈，是传统LMO/Li电池的48倍，并保持高的库仑效率（93%）。这项工作不仅在概念上为研发其它抗刺穿的电池提供了新的机会，而且为无锂枝晶LMB的发展铺平了道路。相关论文“A Smart, Anti-Piercing and Eliminating-Dendrite Lithium Metal Battery”发表在能源期刊Nano Energy上，第一作者是叶明晖博士。