9月24—26日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合200余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在深圳鵬瑞萊佛士酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“共建儲(chǔ)能生態(tài)鏈，開(kāi)啟應(yīng)用新時(shí)代”。 來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的1621人參加了本屆大會(huì)。本次大會(huì)由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)、中國(guó)科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)組和中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)聯(lián)合承辦。

在24日下午的“儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)備及梯次利用專(zhuān)場(chǎng)（上） ”專(zhuān)場(chǎng)，廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院的柯曦教授分享了主題報(bào)告《金屬鋰復(fù)合負(fù)極的構(gòu)筑及應(yīng)用》。會(huì)務(wù)組對(duì)發(fā)言人的演講速記做了梳理，方便大家會(huì)后交流、學(xué)習(xí)，以下是速記全文：



柯曦：謝謝大家。我是來(lái)自廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院的柯曦，現(xiàn)在由我給大家分享表面工程改性三維多孔骨架用于鋰金屬負(fù)極方面的研究進(jìn)展。

我的匯報(bào)分為這幾個(gè)方面：鋰金屬負(fù)極研究背景簡(jiǎn)介、亞微米多孔銅修飾泡沫銅用于鋰金屬負(fù)極、AuLi3修飾泡沫鎳用于鋰金屬負(fù)極、納米多孔AuLi3修飾泡沫鎳用于鋰金屬負(fù)極、納米多孔AuLi3修飾碳纖維復(fù)合鋰金屬負(fù)極、鋅修飾亞微米多孔銅/泡沫銅用于鋰金屬負(fù)極和總結(jié)。

大家知道在最早的時(shí)候，鋰電池是以鋰金屬作為負(fù)極并進(jìn)行商業(yè)化，后面因?yàn)榘l(fā)生爆炸等問(wèn)題，加之鋰離子二次電池開(kāi)發(fā)的成功，鋰金屬二次電池技術(shù)路線(xiàn)陷于停滯。隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，特別是基于對(duì)高比能電池體系的現(xiàn)實(shí)需求，人們現(xiàn)在又開(kāi)始努力攻克鋰金屬負(fù)極技術(shù)難點(diǎn)。作為負(fù)極材料，鋰金屬負(fù)極具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如理論比容量高，電極電勢(shì)與密度低等，但也存在很大問(wèn)題，例如庫(kù)倫效率低、易長(zhǎng)枝晶而引發(fā)安全問(wèn)題等。針對(duì)鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，目前研究者們提出很多方案解決這個(gè)問(wèn)題，比如說(shuō)電解液體系調(diào)整、構(gòu)筑人工SEI膜、構(gòu)建三維集流體等。其中，三維集流體的使用可降低充放電過(guò)程中的有效電流密度，同時(shí)可容納金屬鋰負(fù)極巨大的體積變化。

我們課題組在三維集流體的表面工程改性方面進(jìn)行了一些研究。我們主要針對(duì)的是商品化的三維集流體進(jìn)行改性。商品化的泡沫金屬集流體，例如泡沫銅、泡沫鎳等，由于孔徑過(guò)大，且表面電場(chǎng)分布不均勻，以及表面憎鋰，直接用作鋰金屬負(fù)極的集流體并不能表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。因此，我們就提出了很多表面工程策略去對(duì)它進(jìn)行改性，獲得了比較好的效果，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊上。

接下來(lái)主要介紹一下我們的研究思路，第一個(gè)工作是構(gòu)建分級(jí)泡沫金屬結(jié)構(gòu)，即在商品化泡沫銅的微米骨架表面再?gòu)?fù)合一個(gè)亞微米級(jí)尺度的泡沫銅結(jié)構(gòu)，以此來(lái)改善鋰金屬的沉積行為。我們采取的是模板電沉積與退火法來(lái)獲得這個(gè)復(fù)合泡沫結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，鋰金屬在分級(jí)泡沫金屬表面的沉積更加致密，鋰枝晶生長(zhǎng)得到有效地抑制。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合亞微米級(jí)泡沫銅結(jié)構(gòu)的集流體擁有更優(yōu)的電化學(xué)性能。

因?yàn)榧黧w的材質(zhì)具有憎鋰性，我們就想把它進(jìn)行親鋰化處理，我們使用的是金，前期研究發(fā)現(xiàn)它是非常親鋰的物質(zhì)，我們通過(guò)電化學(xué)沉積法在泡沫鎳骨架表面沉積一層納米金，發(fā)現(xiàn)納米金對(duì)于鋰金屬的沉積和剝離過(guò)程的形貌演化會(huì)產(chǎn)生較大影響。與裸泡沫鎳相比，修飾納米金的泡沫鎳表面的鋰金屬成核與生長(zhǎng)行為更加均一，沉積層更加平整與致密，電極的可逆性也更高。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)，基于納米金修飾泡沫鎳集流體的鋰金屬負(fù)極表現(xiàn)出更優(yōu)異的電化學(xué)性能。

在這個(gè)工作的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步把親鋰性的金修飾構(gòu)筑成三維納米結(jié)構(gòu)，期望經(jīng)過(guò)三維納米結(jié)構(gòu)化，進(jìn)一步提升鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)性能。理論計(jì)算與有限元模擬結(jié)果表明鋰與金的強(qiáng)相互作用以及三維多孔結(jié)構(gòu)將有益于獲得均勻的鋰沉積行為。對(duì)鋰金屬沉積/剝離過(guò)程的物理表征以及電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果也證實(shí)了這種設(shè)計(jì)的有效性。與裸泡沫鎳相比，經(jīng)過(guò)三維納米多孔親鋰層修飾的泡沫鎳作為鋰金屬負(fù)極的集流體時(shí)，鋰金屬沉積/剝離過(guò)程的可逆性得到極大地改善，循環(huán)性能也得到提升，鋰枝晶生長(zhǎng)現(xiàn)象也得到有效地抑制。

前面講的工作都是基于泡沫金屬集流體的改性，泡沫金屬材料作為集流體的一個(gè)缺點(diǎn)，就是商品化的泡沫金屬集流體的質(zhì)量比較大，由于它是非活性材料，因而會(huì)降低電池的能量密度。在接下來(lái)介紹的這個(gè)工作中，我們選擇比較輕的碳材料，用碳纖維骨架作為集流體，基于熔融鋰浸潤(rùn)法獲得復(fù)合鋰金屬負(fù)極，同時(shí)我們提出“預(yù)剝離”概念，即鋰金屬不需要負(fù)載過(guò)多，把一部分碳纖維骨架的三維多孔及表面親鋰結(jié)構(gòu)都暴露出來(lái)，讓它們?cè)阡嚱饘傺h(huán)沉積/剝離過(guò)程中起到非常好的引導(dǎo)鋰沉積和緩沖鋰金屬負(fù)極體積變化的作用。我們也對(duì)它進(jìn)行了相關(guān)的理論計(jì)算、物理表征，去證明這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。從對(duì)鋰金屬沉積/剝離過(guò)程中形貌演化的物理表征、以及電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確實(shí)提升了鋰沉積/剝離過(guò)程的可逆性，基于其的鋰金屬負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

前面介紹的工作中，針對(duì)憎鋰性集流體的改性均選用的是金來(lái)作為親鋰性修飾材料，考慮到金的成本比較高。我們?cè)谶@個(gè)工作中采用鋅作為親鋰性改性材料。通過(guò)結(jié)合模板合金電沉積與金屬熱處理技術(shù)，在形成分級(jí)泡沫金屬結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在它的表面自發(fā)形成親鋰性的納米鋅修飾。從鋰金屬沉積/剝離過(guò)程形貌演化的物理表征結(jié)果來(lái)看，這種表面工程改性技術(shù)確實(shí)是可以極大的改善鋰沉積行為，沒(méi)有這種電極結(jié)構(gòu)，就很容易形成死理。有了這種電極結(jié)構(gòu)后，鋰金屬在泡沫金屬骨架表面形成了比較光滑致密的沉積，電極可逆性獲得極大程度地提高，基于其的鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)性能也大大提升。

考慮到大家主要是企業(yè)界的朋友，我就沒(méi)有太過(guò)詳細(xì)地介紹具體的研究細(xì)節(jié)。總結(jié)而言，目前人們想把鋰金屬負(fù)極用在下一代的高比能電池體系中，為了提高鋰金屬負(fù)極的實(shí)用性，需要解決鋰枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題。我們的研究思路是通過(guò)構(gòu)筑表面親鋰化修飾的輕質(zhì)三維多孔集流體，誘導(dǎo)鋰金屬均勻成核/生長(zhǎng)/剝離，提升電極過(guò)程可逆性，從而有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，提升鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)性能。

最后，感謝科技部、廣東省科技廳以及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)我們團(tuán)隊(duì)研究項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。我就講這么多，謝謝大家。