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数月前还在谈金属锂负极“复兴”的崔屹教授，现在找到了更好的选择

来源: X-MOL 2017-07-27 16:16:42

今年三月份，美国斯坦福大学的崔屹教授（点击查看介绍）等人在Nature Nanotechnology 杂志上发表综述“Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries”，畅谈了金属锂电极的“复兴”趋势及其在高能锂电池中的应用（点击阅读详细）。尽管还有很多问题需要解决，金属锂的复兴势头似乎已经无法阻挡。

短短的四个月后，还是Nature Nanotechnology 杂志，还是崔屹教授，却告诉我们金属锂负极已经不一定是未来高性能锂电池的上上之选了，一种锂合金/石墨烯纳米结构材料作为负极更稳定，更有希望提高电池的容量和使用寿命，前景更加光明。惊不惊喜？意不意外？四个月的时间究竟发生了什么？这还让不让金属锂负极复兴了啊？

言归正传，我们先来看看崔屹教授团队最新的这项工作。

常见的几种锂离子电池负极材料各有优缺点。传统石墨负极的理论容量为370 mAh•g–1，远远不能满足人们对于高容量电池的期待。硅负极膨胀系数太大，长期循环时存在安全隐患。而金属锂虽然理论容量很高，但反应性高且枝晶生长难以控制、安全性不足、加工要求苛刻、空气中稳定性差等问题成为其发展的阻碍，大大地限制了其在工业生产中的应用。有没有一种材料能兼顾上述材料的优点又尽量避免缺点呢？崔屹教授团队的方案是选用锂合金LixM（M = Si、Sn、Al）与石墨烯的纳米结构材料做负极，取得了一举多得的重大突破。

研究者先制备了锂合金LixM的纳米颗粒，随后将其与石墨烯片层、嵌段聚合物SBS在甲苯中混合成浆料，通过滚涂、干燥等工序后，很容易就得到了大面积且无衬底的独立箔状材料，具有非常良好的柔性（下图）。电镜表征结果显示，这种箔状材料呈现独特的纳米结构——石墨烯层之间紧密包裹着锂合金纳米颗粒。

由于石墨烯层的疏水性、低气体渗透性和抗氧化性（下图b），这种纳米结构保护了其中的锂合金纳米颗粒，使得这种材料具有良好的空气稳定性。实验证明，暴露在空气中3分钟，金属锂表面就从金属光泽变为黑色，而48小时后这种锂合金/石墨烯箔的成分依旧几乎没有变化（下图c）。另外，无论在干燥还是高湿度空气中，这种锂合金/石墨烯箔的面积比容量都相当稳定，而同样条件之下，没有石墨烯层保护的锂合金纳米颗粒则在数小时内就会失去大部分比容量（下图d-f）。空气稳定性的大幅提高对于在工业生产中提高安全性、简化生产条件和降低成本来说十分重要。

材料学

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