中国电子科技大学探讨电极硬碳主体的锂沉积行为

在下一代高能量密度电池中，金属锂被认为是理想的负极。然而，为了充分发挥其潜力，它仍然必须克服某些挑战。据国外媒体报道，该研究小组讨论了锂的沉积行为，并围绕硬碳体制定了策略，可以成功解决目前在锂金属阳极开发中面临的一些问题。

电子科技大学王立平教授说:“这种策略可以合理设计主体和电解液，从而解决体积变化和枝晶问题，为制造锂金属负极提供了更广阔的前景。”

锂因其超高的理论容量、极低的电极电位和低密度而被视为下一代电池的有前途的阴极。然而，锂金属受到不可控的锂枝晶生长、副反应和相对无限的体积变化的影响。这些问题会降低电池的效率，缩短电池的循环寿命，甚至导致短路等安全隐患。

长期以来，研究人员一直在探索不同的方法来缓解枝晶生长和体积膨胀，如构建三维锂复合阳极、优化电解质组成、应用人工界面膜和固体电解质等。在解决体积膨胀和枝晶生长问题时，三维体是最有前途的方法。在锂金属负极中，碳基材料是理想的候选材料，因为它们重量轻、导电率高、具有多孔结构和稳定的电化学/化学性能的多重优点。但王教授说:“即使碳基基质有很多优点，也不能完全解决体积膨胀和枝晶生长的问题。”

最近，研究人员探索了用亲锂物质修饰碳材料，并开发了合适的电解质作为改善三维主体材料性能的有效方法。王教授说:“然而，锂的沉积行为及其内在机制尚未得到系统分析。”

为了更好地理解结构-行为关系，发现锂沉积行为及其内在机理，为开发高性能碳基主体电极指明方向，团队进行了深入研究。研究人员使用光学显微镜和扫描电子显微镜系统地研究了不同表面修饰和电解质下碳氢化合物电极的锂沉积行为。研究人员发现，锂不会自发沉积到碳孔中。这很大程度上取决于碳表面、电流密度、面积容量和电解质。

因此，该团队开发了一种含银亲脂性改性的商用硬碳作为稳定剂。发现亲锂位的引入可以引导枝晶适应生长，抑制体积膨胀。此外，研究人员发现，局部高浓度电解质被证明与锂的相容性更好，可以优化锂的沉积形貌，防止其形成枝晶。因此，在循环过程中，位于局部高浓度电解液中的银/烃电极实现了均匀且无枝晶的锂沉积形貌，并表现出良好的长期循环效率。

研究小组得出结论，尽管多孔碳具有容纳锂的理论空间，但锂离子不会沉积到预期的孔隙中，因为锂原子倾向于以爆炸式增长模式积累，其强度足以支撑碳颗粒。研究人员还发现，碳的表面修饰可以降低成核障碍，从而部分缓解锂沉积。然而，由于这是锂沉积在亲锂碳上之后的锂-锂沉积行为，因此效率不高。研究小组发现，通过使用局部高浓度电解质，可以更有效地实现无枝晶锂沉积。