近日，我所二維材料與能源器件研究組(DNL21T3)吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種三維高導(dǎo)電、親鋰性的MXene/石墨烯多孔氣凝膠新材料，并將其應(yīng)用于高鋰載量、高容量、無枝晶金屬鋰負(fù)極，獲得了高比能、長(zhǎng)壽命鋰金屬電池。

金屬鋰具有超高質(zhì)量理論比容量(3860 mAh g-1)和最低的氧化還原電壓(-3.04 V vs. SHE)，被認(rèn)為是一種非常有應(yīng)用前景的高比能鋰電池負(fù)極材料。但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(dǎo)致鋰金屬循環(huán)性能差，安全性能低，限制了鋰金屬負(fù)極在高比能鋰金屬電池中的實(shí)際應(yīng)用。因此，如何在保持鋰金屬超高容量的同時(shí)，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)均勻的鋰沉積，并延長(zhǎng)其循環(huán)壽命是目前鋰金屬電池應(yīng)用研究的瓶頸之一。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種三維MXene/石墨烯多孔氣凝膠材料，并將其用作鋰金屬的載體，成功構(gòu)筑出柔性的、高鋰載量(3560 mAh g-1)的金屬鋰負(fù)極復(fù)合材料。該三維MXene/石墨烯氣凝膠材料具有高比表面積(259 m2 g-1)、優(yōu)異導(dǎo)電性、良好的親鋰性能，實(shí)現(xiàn)了高的庫倫效率(99%)，顯著提高了金屬鋰負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性(2700 h)，遠(yuǎn)高于目前文獻(xiàn)中報(bào)道值。重要的是，將該鋰金屬負(fù)極應(yīng)用到鋰硫、鋰/鈦酸鋰全電池中，都表現(xiàn)出高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。這種三維高導(dǎo)電親鋰網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略為構(gòu)建高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰金屬電池提供了新的思路。

上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的資助。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》(ACS Nano)上。