我所研制出3D打印高比能锂金属电池

  近日,我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员、郑双好副研究员团队,设计了三维多孔导电亲锂的Ti3C2Tx MXene骨架用于高容量、无枝晶金属锂负极,匹配三维多孔导电、超高载量磷酸铁锂正极,研制出高能量密度、长寿命锂金属电池。

  锂金属电池因金属锂负极具有高理论比容量(3860 mAh/g)和低氧化还原电压(-3.04V vs. SHE)而被认为是下一代高能量电池。然而,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。此外,传统的刮涂法制备出的正极活性物质载量有限(20mg/cm2),面积容量往往低于4mAh/cm2,使得锂金属电池的面积能量密度较低。因此,如何同时获得稳定的无枝晶锂负极和匹配的高载量正极,以实现长寿命和高能量密度的锂金属电池,仍面临挑战。

  本工作中,该团队研制了3D打印Ti3C2Tx MXene框架沉积的锂金属负极与超厚磷酸铁锂框架正极,构筑出高面积能量密度、长寿命锂金属电池。研究发现,MXene导电骨架的亲锂特性能够调节局部电流分布,均匀化锂成核与沉积,形成均匀的富LiF固体电解质界面层和稳定的锂/电解质界面,实现了高容量(30mAh/cm2)、高稳定(>4800h循环)且无枝晶的锂金属负极。3D打印磷酸铁锂电极(载量171mg/cm2)具有三维多孔导电框架结构,促进了电子传输动力学速率,降低了厚电极中的离子传输距离,提高了活性材料的利用率,从而有效地提高了锂金属电池的电化学性能。所匹配的锂金属全电池(锂负极过量50%)表现出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度,远高于目前文献中报道值。本工作通过3D打印同时解决了锂金属负极不稳定和正极面容量较低的问题,为研制长寿命、高比能锂金属电池提供了一条可行的途径。

  在构筑可打印电化学储能器件工作中,该团队此前曾开发出多种打印技术,如喷涂打印微型超级电容器(Adv. Mater.,2017;ACS Nano,2017),丝网印刷微型超级电容器、锂离子/锌锰微型电池(Energy Environ. Sci.,2019;Natl. Sci. Rev.,2020;Adv. Mater.,2021;Small,2021),喷墨打印微型超级电容器与自供电温度传感集成系统(Adv. Energy Mater.,2021),3D打印钠离子微型电池与微型/杂化超级电容器(J. Energy Chem.,2021;Adv. Energy Mater.,2022;Adv. Mater.,2022)等。

  相关研究成果以“All 3D printing lithium metal batteries with hierarchically and conductively porous skeleton for ultrahigh areal energy density”为题,于近日发表在《能源存储材料》(Energy Storage Materials)上。该工作的第一作者是我所508组博士研究生马佳鑫。上述工作得到国家自然科学基金、中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。(文/图 马佳鑫、郑双好)

  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.10.036

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