崔屹教授:新型石墨烯材料作为锂负极载体 大大改善电池循环寿命

最近，斯坦福大学崔屹教授课题组，研究了一种新型褶皱石墨烯笼载体（WGC）用于金属锂负极，WGC提供优异的机械强度，具有更高的离子电导率和质量更好的固态电解质界面（SEI）。

使用冷冻电镜表征发现，石墨烯笼载体表面均匀稳定的SEI界面可以防止金属锂与电解液直接接触。在0.5mA/cm2电流中，在碳酸酯电解液从1-10mAh/cm2容量区间中表现出了高达98.0%的库伦效率，并且使用预先存储锂的WGC电极与磷酸铁锂配对后，大大改善了电池的循环寿命。相关研究成以“WrinkledgraphenecagesashostsforhighcapacityLimetalanodesshownbycryogenicelectronmicroscopy”为题发表在NanoLett.上。

提起崔屹，在纳米学术界几乎无人不知。崔屹是顶级学术期刊的常客，现为美国斯坦福大学材料科学与工程系终身教授，主要从事纳米材料在能源、光伏、拓扑绝缘材料、生物和环境领域的研究工作。目前崔屹已培养近60位博士和博士后，在世界范围培养了40多位教授。

崔屹是美国材料学会会士、美国电化学会会士、英国皇家化学学会会士，世界知名科学期刊《纳米快讯》副主编。已发表论文400多篇，包含《Science》《Nature》等全球顶级杂志，被引用超过12万次，H因子为164，授权国际专利40余件。

锂的枝晶与锂电池的安全紧密相关，充电的时候如果控制得不好，金属锂的枝晶会长出来，像一棵树长出树枝，枝晶会捅破电池正负极之间的隔膜，造成短路，甚至引发爆炸。

固体电解质界面膜（SEI）是负极材料和电解液接触后生成的反应物，厚度约为50个纳米左右。这层膜影响着电池的稳定性，决定着循环使用寿命到底是1000次还是10000次。

如果能看清金属锂枝晶的原子层面，知道界面膜的结构，就能进一步解决以金属锂为负极材料的锂电池的安全问题，并使其寿命更长。

但这个问题一直困扰学界半个世纪之久。金属锂的熔点低，使用电子显微镜观察时，电子束会将它融化，“打出一个洞”，就会破坏了原本的结构。直到冷冻电镜的应用，终于解决了这个问题。

由于锂电池的最高理论容量（3860mAh/g）和最低电极电位（相对于标准氢电极为-3.04V）,长期以来被认为是电池负极的“圣杯”。崔屹也一直视金属锂为一种未来的电池负极材料，因为金属锂的能量密度高，如果解决了安全性等问题，可以将现在电动车电池的储能翻倍。

然而，在充放电过程中，锂金属高化学反应性和大体积波动而导致低库伦效率和低安全性，由于锂金属的无主体特性，在循环过程中体积膨胀导致固态电解质界面（SEI）破裂。尽管已经采取了一些有效的策略，这些方法未能解决锂金属的无主体性质，这意味着锂金属沉积和剥离过程中没有任何物理限制。

近期，学术界引入了锂金属的人造“主体”的想法，这些结构能够减少循环期间的电极体积变化和局部电流密度，从而使充-放电期间的过电势更低，并且SEI更稳定，但还是面临着“主体”结构的无定型导致机械性能差，阻抗更高和难以承载高于2mAh/cm2容量等限制。因此，研究能够既能提高库伦效率，又能承载更高载量的主体结构，代表着一个非常重要的方向。

崔屹课题组研究出了这种新型褶皱石墨烯笼载体用于金属锂负极，在低面积容量下，锂金属优先沉积在石墨烯笼内，随着容量的增加，锂金属致密且均匀地沉积在石墨烯笼之间的外部孔隙中，没有枝晶生长或体积变化。石墨烯笼载体提供优异的机械强度，并具有更高的离子电导率和质量更好的固态电解质界面，可以防止金属锂与电解液的直接接触。在0.5mA/cm2电流中，在商品化碳酸酯电解液从1-10mAh/cm2容量区间中表现出了高达98.0%的库伦效率，在使用预先存储锂的石墨烯笼载体电极与磷酸铁锂配对后，电池循环寿命大大改善。

崔屹认为目前锂离子电池的主流正极是钴酸锂、磷酸铁锂或三元材料，负极材料主要是石墨，但其能量密度是有限，最多约为300Wh/kg。接下来发展第一步是将硅取代石墨作为负极材料，可将能量密度提升至400Wh/kg；第二步，负极材料从硅换为金属锂，能量密度可达到500Wh/kg；第三步，正极材料改为硫，负极材料为金属锂，电池能量密度可达到600Wh/kg。

崔屹表示，能量密度达到500Wh/kg时，特斯拉一次充电可以开800到1000公里，比烧油的车跑得还远。