金属锂本身由于其极高的比容量和极好导电性，对于未来的高能量密度、高倍率电池来说，是一种极其有潜力的负极材料。但是金属锂电池的发展严重受制于锂枝晶的产生。枝晶不仅会断裂导致电池容量衰减，还可能刺透隔膜使电池短路引发严重安全问题。随着便携式电子设备及电动汽车的快速发展，人们除了追求锂电池的大容量和充放电速度外，更关心的是锂电池的安全性。
近日，南开大学梁嘉杰课题组、陈永胜教授课题组与江苏师范大学的赖超课题组，提出了解决这一问题的优化策略，基于此策略他们成功制备具有多级结构的银纳米线-石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为金属锂复合负极材料。相关成果发表在《先进材料》。
“金属锂由于具有很高的理论容量以及低的电化学电位，因此被认为是最理想的锂二次电池的负极材料，在工业上具有广泛应用前景。但是，在充放电过程中锂枝晶以及死锂的形成，电极体积极大的收缩和膨胀，以及固体电解质相界面膜的不稳定性是造成金属锂负极材料的循环寿命短、安全性差等问题的主要原因。”梁嘉杰介绍。
近年来，也有不少相关研究在锂负极材料的设计合成上取得重要突破，但是仍然无法抑制金属锂在大电流密度充放电下枝晶生长以及电极体积膨胀的问题，因此依然难以实现锂电池的长寿命、大容量的“快充快放”。“把金属锂沉积到具有三维网络结构的多孔集流体中构建金属锂复合负极材料，是目前解决上述困难的有效途径之一。”梁嘉杰说。
基于此认识，三课题组首先提出了实现超高电流密度及超长循环寿命的理想的金属锂负极三维载体的材料选择及优化的五点基本要求，包括：与金属锂具有等于零或者接近零的结晶过电势；具有连续的超高导电性；具有大的比表面积以及均匀分布的导电结构；具有优异机械强度和电化学稳定性的多孔结构；具有优异的机械韧性。在此基础上，他们利用石墨烯宏观体三维网络作为机械骨架，银纳米线二维网络作为导电结构，通过低成本，与工业化生产相兼容的涂布-冷干法，制备具有多级结构的银纳米线-石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为金属锂复合负极材料。
图：具有多级结构的银纳米线-石墨烯三维多孔载体抑制锂枝晶生长机理
经测试，该金属锂复合负极材料的比容量可达2573 mAh/g；对称电池测试中，首次实现在极高的电流密度40 mAh/cm2下反复充放电1000周以上，并且过电势低于120 mV。通过电镜观察可以看到，该多级三维结构载体即使在极大电流充放电的循环条件下，仍能成功抑制金属锂负极中锂枝晶的生长以及电极体积的变化。该团队进一步与NCM523正极材料组装了具有优异的倍率性能以及高倍率循环稳定性的全电池。
“未来，我们将继续优化该具有多级三维结构的锂负极载体的机械性能，进一步提电极材料在快速冲放状态下的冲放容量，争取早日实现具有超高能量密度以及功率密度的金属锂负极材料。”梁嘉杰说。
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