我国科研人员研发出新型锂电负极，有望引领下一代电池技术发展

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，中国科学院近代物理研究所方面表示，该所材料研究中心科研人员与北京航空航天大学合作，利用核径迹技术提出了一种新型三维锂负极框架构型。相关研究成果发表在《先进能源材料》上。

锂负极框架结构构建示意图，图源：中国科学院近代物理研究所

目前，三维锂负极框架构型是锂金属作为电池负极的主要研究方向之一，同时锂金属负极也被认为是下一代电池的理想负极。

锂金属负极才是未来？

负极材料是锂离子电池的核心材料之一。在锂电池充放电过程中，负极作为载体负责储存并释放锂离子并使电流从外电路通过。在锂电池成本中，负极材料占总制造成本的5％-15％。目前，人造石墨是负极的主要选择，通过碳材料、胶水和添加物混和做成负极，新型负极材料有硅基负极和硬碳等。

硅基负极可用于4680系大圆柱电池。GGII分析指出，2022年硅基负极在整体负极材料中占比增速明显，增长近3倍。硅基负极的路线主要分为硅碳负极与硅氧/碳负极，前者指的是指纳米硅与石墨材料混合，后者则是用氧化亚硅与石墨材料复合。不过，硅基负极实际上也还处于商业化的初期，循环性能大都只有500-600周，不满足1000周的标准。

比硅基负极更下一代的负极材料，被认为就是锂金属负极。锂金属具有极低的密度（0.59g/cm3）、最低的电极电位（–3.04V）和超高的理论比容量（3860mAh/g），被认为是最有前途的高能电池负极材料。不过，锂金属负极也存在锂枝晶生长不可控、死锂形成和积累、锂金属负极“无主”特性以及不稳定的固体电解质界面层（SEI）等问题，这些问题导致锂金属负极的循环和化学特性都不稳定，因此无法进行商用。

为了解决锂金属负极这些性能限制，三维锂负极框架被认为是解决方案之一。三维框架由于表面积大、孔隙率高，可以有效地存储大量的锂，有助于锂离子的快速传输。因此，构建具有三维框架的锂复合负极来缓解锂金属体积变化和抑制锂枝晶生长已被广泛证明是一种有效的方法。

三维锂负极框架仍需突破

三维框架可分为金属框架、碳基框架、金属-碳杂化框架和聚合物框架等。中国科学院近代物理研究所材料研究中心的研究人员基于兰州重离子研究装置（HIRFL），利用核径迹技术构建了一种新型三维多孔复合框架结构。该结构由三维纳米铜骨架和均匀分布的亲锂位点构成，将其与锂金属复合作为锂离子电池负极。该复合框架结构表现出超过2000小时的长循环寿命和高速率能力。即使在高面积容量和高电流密度下，复合负极在运行600小时后仍表现出稳定的循环性能。

过往，很多三维锂负极框架倾向于在二维平面上实现锂沉积的均质化，而忽略了循环期间三维框架内垂直方向界面活性的差异。这些三维锂负极框架并没有彻底解决锂枝晶和分布不均匀的问题。因此，研究人员致力于设计具有丰富亲锂位点的三维框架。

据介绍，中国科学院近代物理研究所材料研究中心发布的新型三维多孔复合框架结构，与同种材料的其他框架结构相比，该三维多孔复合框架结构显著提升了锂离子电池的电化学性能。进一步的研究表明，该复合框架结构的良好力学强度、高孔隙率和低孔隙迂曲度是电池性能提升的主要因素。

多孔实际应该算作是三维带孔道集流体设计的一种。理论上，三维集流体结构确实能够解决三维锂负极框架带来部分枝晶和无限体积变大的问题。

该所纳米材料室主任、研究员段敬来表示，“探究高性能电池负极材料的理想框架构型是当前国际上的一个前沿科学问题。锂金属负极被认为是下一代锂电池的理想负极材料，然而循环过程中产生枝晶等问题阻碍了其商业化应用。”据悉，该工作得到了国家自然科学基金联合重点项目和中国科学院前沿科学重点研究计划的支持。

近两年，为了解决三维锂负极框架出现的枝晶生长和衰减等问题，业界进行了大量的尝试。除了中国科学院近代物理研究所材料研究中心，青岛生物能源与过程研究所也曾实现运用三维结构石墨炔碳骨架的亲锂性和导电性，可以在铜集流体表面实现稳定的、无枝晶的金属锂沉积，这是一种薄层海藻状金属锂负极。

测试数据表明，这种方法制备的海藻状薄层金属锂与铜箔上直接沉积的块状金属锂相比，体现出较低的成核过电势与界面阻抗，并在对称金属锂电池中表现出优异的循环稳定性。由海藻状锂金属负极和Li4Ti5O12作为正极组装的全电池在1000多个循环中具有优异的容量保持率。

另外，2021年9月，华南理工大学刘军教授等人在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文，采用一种金属有机框架(MOF)衍生路线，在不同的基底(如碳布和铜网)上通用地构建出亲锂三维骨架，以实现无枝晶锂金属负极。

不过，对于三维锂负极框架的研究，基本都还处于实验室阶段，离真正商用还有一段距离，比如设备和材料量产等方面的突破。不过，测试数据方面，三维锂负极框架已经体现出了自己的优势，一旦实现商用，将进一步提升锂电池的性能。因此，将三维锂负极框架定义为下一代电池负极并不为过。

小结

锂金属负极在二次电池发展初期也曾有过商用，不过包括界面不稳定、枝晶生长等一些列问题使其未能扩大商用规模。如今，三维锂负极框架的不断发展有望解决这些难题。当这些创新从实验室走向量产，锂电池将宣布找到负极的理想答案。