大連化物所吳忠帥課題組EnSM：3D打印超高面能量密度鋰金屬電池的理性設計

【研究背景】

鋰金屬電池因金屬鋰負極具有高理論比容量（3860mAh/g）和低氧化還原電壓（-3.04Vvs.SHE）而被認為是下一代高能量電池。然而，由于其存在不可控的鋰枝晶、死鋰，以及充放電過程鋰金屬體積膨脹等問題，導致鋰金屬循環性能差，安全性能低，限制了鋰金屬負極在高比能鋰金屬電池中的實際應用。此外，傳統的刮涂法制備出的正極活性物質載量有限（20mg/cm2），面積容量往往低于4mAh/cm2，使得鋰金屬電池的面積能量密度較低。因此，如何同時獲得穩定的無枝晶鋰負極和匹配的高載量正極，以實現長壽命和高能量密度的鋰金屬電池，面臨很大挑戰。

【工作介紹】

近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組，吳忠帥研究員和鄭雙好副研究員團隊報道了3D打印Ti3C2TxMXene框架沉積鋰金屬負極與超厚磷酸鐵鋰框架正極，構筑出高面積能量密度、長壽命鋰金屬電池。MXene導電骨架的親鋰特性能夠調節局部電流分布，均勻化鋰成核與沉積，形成均勻的富LiF固體電解質界面層和穩定的鋰/電解質界面，實現了高容量（30mAh/cm2）、高穩定（＞4800h循環）且無枝晶的鋰金屬負極。3D打印磷酸鐵鋰電極（載量171mg/cm2）具有三維多孔導電框架結構，促進了電子傳輸動力學速率，降低了厚電極中的離子傳輸距離，提高了活性材料的利用率，從而有效地提高了鋰金屬電池的電化學性能。所匹配的鋰金屬全電池（鋰負極過量50%）表現出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度，遠高于目前文獻中報道值。該文章發表在國際知名期刊Energy Storage Materials上。大連化物所博士研究生馬佳鑫為本文第一作者。

【內容表述】

3D打印鋰金屬電池的過程如圖1所示，通過逐層打印Ti3C2TxMXene框架沉積鋰金屬與超厚磷酸鐵鋰正極，構筑出高面積能量密度、長壽命鋰金屬電池。

圖1.3D打印組裝鋰金屬電池。

所制備的3D打印MXene油墨（~300mg/mL）表現出高粘度及流變剪稀的特性，可定制化打印幾何圖案以及實現多層打印電極。所打印的MXene電極表現出多孔框架結構，形成良好的電子/離子傳輸通道。

圖2.MXene墨水及打印電極表征。

鋰對稱電池(MXene@Li//MXene@Li)表現出高的庫倫效率（＞98%），MXene框架顯著提高了金屬鋰負極的循環穩定性（4800h），遠高于目前文獻中報道值。MXene導電骨架不僅實現了高倍率沉積金屬鋰，而且在高電流密度（30mA/cm2）下仍表現出平坦的電壓曲線。在電流密度為4mA/cm2時，MXene框架表現出超高容量（80mAh/cm2）。

圖3.MXene電極沉積金屬鋰電化學性能。

MXene導電骨架的親鋰特性能夠調節局部電流分布，均勻化鋰成核，形成均勻的富LiF固體電解質界面層和穩定的鋰/電解質界面，抑制鋰枝晶生長，從而能在高容量和高電流密度下具有穩定的循環性能。

圖4.MXene沉積金屬鋰組分與形貌表征。

通過構筑不同導電單元的墨水，發現由二維石墨烯、一維碳納米管、零維乙炔黑與活性材料形成的三維導電框架表現出高的電導率。值得注意的是，多孔電極可以縮短離子擴散路徑，有利于實現高的面積能量密度。通過多層打印制備的超厚電極（171mg/cm2）表現出超高的面容量（25.3mAh/cm2）、面能量密度（81.6mWh/cm2）及長循環性能。

圖5.MXene@Li||LFP全電池電化學性能。

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