記者15日獲悉，特種科學(xué)院、北京大學(xué)等單位聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)合成了一種完美的單層石墨烯電極，并揭示鋰原子以其為基底材料進(jìn)行電沉積的行為，填補(bǔ)了金屬鋰在碳原子晶格上異相成核的基礎(chǔ)研究空白，為破解鋰電池產(chǎn)業(yè)化遭遇的鋰枝晶等難題提供理論基礎(chǔ)。相關(guān)論文近日在線發(fā)表在《儲(chǔ)能材料》(Energystoragematerials)雜志上。

“鋰枝晶”會(huì)在液體鋰電池中生長，刺穿隔膜，造成電池短路。研究團(tuán)隊(duì)成員特種科學(xué)院副研究員張浩介紹，近年的研究以多孔碳基材料構(gòu)筑金屬鋰負(fù)極骨架的方法抑制鋰枝晶生長，但是規(guī)律紊亂、效果有限。原因之一是學(xué)界對(duì)金屬鋰在碳晶格上電沉積成核的基礎(chǔ)研究的空白。

要明確金屬鋰如何在碳晶格沉積，必須獲得純粹、無背景干擾的生長環(huán)境。為此，團(tuán)隊(duì)中的北京大學(xué)彭海琳教授課題組合成了一個(gè)完美的碳原子基面，利用化學(xué)氣相沉積法在銅箔上生長出了單層石墨烯。論文第一作者、團(tuán)隊(duì)成員孟倩倩介紹，單層石墨烯可以用來排除多孔碳帶來的一切耦合因素對(duì)鋰沉積的干擾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鋰在碳晶格上的異相成核行為的清晰解讀。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過非原位掃描電鏡觀測(cè)等方法進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)理論探索發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)金屬集流體(電池中匯集電流的組件)相比，鋰在完美碳基面上的成核位壘更高、更難成核，因此以石墨烯取代金屬作為集流體或?qū)Y(jié)晶產(chǎn)生抑制效果。

團(tuán)隊(duì)還觀測(cè)到碳晶格上存在的位錯(cuò)等缺陷能夠促進(jìn)鋰成核、在鋰枝晶交匯點(diǎn)處鋰存在二次成核等現(xiàn)象。這些結(jié)果將幫助對(duì)金屬鋰在碳原子晶格上成核、鋰枝晶生長等相關(guān)機(jī)制的理解，進(jìn)而產(chǎn)生更為有效的三維碳骨架的金屬鋰負(fù)極設(shè)計(jì)策略，解決鋰枝晶生長的問題。