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我所研制出3D打印高比能鋰金屬電池

  近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員、鄭雙好副研究員團隊,設計了三維多孔導電親鋰的Ti3C2Tx MXene骨架用于高容量、無枝晶金屬鋰負極,匹配三維多孔導電、超高載量磷酸鐵鋰正極,研制出高能量密度、長壽命鋰金屬電池。

  鋰金屬電池因金屬鋰負極具有高理論比容量(3860 mAh/g)和低氧化還原電壓(-3.04V vs. SHE)而被認為是下一代高能量電池。然而,由于其存在不可控的鋰枝晶、死鋰,以及充放電過程鋰金屬體積膨脹等問題,導致鋰金屬循環性能差,安全性能低,限制了鋰金屬負極在高比能鋰金屬電池中的實際應用。此外,傳統的刮涂法制備出的正極活性物質載量有限(20mg/cm2),面積容量往往低于4mAh/cm2,使得鋰金屬電池的面積能量密度較低。因此,如何同時獲得穩定的無枝晶鋰負極和匹配的高載量正極,以實現長壽命和高能量密度的鋰金屬電池,仍面臨挑戰。

  本工作中,該團隊研制了3D打印Ti3C2Tx MXene框架沉積的鋰金屬負極與超厚磷酸鐵鋰框架正極,構筑出高面積能量密度、長壽命鋰金屬電池。研究發現,MXene導電骨架的親鋰特性能夠調節局部電流分布,均勻化鋰成核與沉積,形成均勻的富LiF固體電解質界面層和穩定的鋰/電解質界面,實現了高容量(30mAh/cm2)、高穩定(>4800h循環)且無枝晶的鋰金屬負極。3D打印磷酸鐵鋰電極(載量171mg/cm2)具有三維多孔導電框架結構,促進了電子傳輸動力學速率,降低了厚電極中的離子傳輸距離,提高了活性材料的利用率,從而有效地提高了鋰金屬電池的電化學性能。所匹配的鋰金屬全電池(鋰負極過量50%)表現出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度,遠高于目前文獻中報道值。本工作通過3D打印同時解決了鋰金屬負極不穩定和正極面容量較低的問題,為研制長壽命、高比能鋰金屬電池提供了一條可行的途徑。

  在構筑可打印電化學儲能器件工作中,該團隊此前曾開發出多種打印技術,如噴涂打印微型超級電容器(Adv. Mater.,2017;ACS Nano,2017),絲網印刷微型超級電容器、鋰離子/鋅錳微型電池(Energy Environ. Sci.,2019;Natl. Sci. Rev.,2020;Adv. Mater.,2021;Small,2021),噴墨打印微型超級電容器與自供電溫度傳感集成系統(Adv. Energy Mater.,2021),3D打印鈉離子微型電池與微型/雜化超級電容器(J. Energy Chem.,2021;Adv. Energy Mater.,2022;Adv. Mater.,2022)等。

  相關研究成果以“All 3D printing lithium metal batteries with hierarchically and conductively porous skeleton for ultrahigh areal energy density”為題,于近日發表在《能源存儲材料》(Energy Storage Materials)上。該工作的第一作者是我所508組博士研究生馬佳鑫。上述工作得到國家自然科學基金、中科院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等項目的資助。(文/圖 馬佳鑫、鄭雙好)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.10.036

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