研究团队开发基于原子通道的新策略 可用于制造无枝晶锂金属电池

据外媒报道，厦门大学的研究团队开发了一种新策略，可用于制造无枝晶锂金属电池，其基础是利用预隧穿石墨层在石墨中形成夹层和层内原子通道。所获得的原子通道，能够支持锂快速自由地扩散，并具有增强动力学特性。

（图片来源：greencarcongress）

以锂作为储能系统中的负极材料，具有诸多优势，例如理论容量极高，达到3860 mA h g-1。然而，因锂枝晶生长引起安全问题，其实际应用受到阻碍。锂在电极/电解质界面的不均匀和不可控聚集，会引起不良枝晶生长。由于不理想的电化学性能和严重的安全问题，其进一步应用受到影响。因为锂在负极表面扩散远快于整体扩散，所以调节锂在负极表面的扩散/沉积，被认为是诱导锂均匀沉积的主流方法。

以前的工作主要集中于构建具有三维开放结构的碳骨架和/或加入引导粒子，如Au、Ag金属纳米颗粒和Co、Ni单原子。在表面沉积之前，Li+必须克服很大的能垒才能插入石墨层。这会导致层膨胀，并且这些离子整体上被限制在典型的C6LiC6形态中，从而影响其扩散性。因此，很少有人认为块状石墨可以携带致密而快速的锂离子流，多层锂通过石墨层扩散的潜力未得到充分利用。

研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算和原位透射电子显微镜（TEM），开创性证明了在两层石墨烯之间存在多层致密锂的可行性，远远超过典型的C6LiC6结构。然而，双层石墨片的插入和扩散性能，无法等同于其从中剥离出来的块状碳。此外，非扩展性材料制备，使其在高性能LMBs中的实际应用还远远不够。受这项工作的启发，通过预隧穿石墨层，可以构建通过块状碳扩散锂的新路径。借助于所得到的原子通道，能够实现超密度锂自由快速地扩散，大大提高了动力学和安全性。

在这项研究中，研究人员采用分子隧道策略，构建了一种具有丰富原子通道的体扩散锂导体（BDLC），用于超密度锂输送。通过预隧穿石墨层（层间距约为7 Å），同时引入空位和亲锂位点，从而建立锂离子扩散的夹层和层内通道。与传统的表面扩散/沉积机制不同，这种原子通道可以有效缓解由非均匀表面沉积引起的枝晶问题，实现快速的体扩散。

将新型负极材料与高载荷LiFePO 4（LFP）正极配对，可实现3.9 mAh cm -2的高面容量，并可在370次循环中100%保持容量。

研究人员表示，体扩散策略提供了不同于传统表面扩散的新视角，并将拓展对超密度锂扩散的认识，也重新定义了抑制锂枝晶的研究。