鋰金屬由于其高比容量和低的氧化還原電位是未來新型高比能電池的理想負極材料。然而，鋰金屬電池的商業化一直受限于安全問題和有限的循環壽命。使用新型不易燃的固態電解質替換傳統易燃的有機電解液可以顯著降低鋰金屬電池起火和爆炸的風險。但由于固態電解質和電極材料之間有限的固固界面接觸，使得固態鋰金屬電池的電化學性能受限，滿足不了實際應用的需求。從固態鋰金屬電池的負極方面考慮，固態多級結構鋰金屬復合負極的構筑需采用一種理想的框架材料。該框架材料應具有以下特點：1）來源豐富且成本低廉；2）對鋰金屬有很強的親和性；3）豐富的孔道結構以容納鋰金屬。因此，在電極內部采用多級結構設計增強界面接觸是提升固態鋰金屬電池性能的有效途徑。
最近，中國科學技術大學姚宏斌教授課題組和俞書宏教授領導的研究團隊受硅藻土具有的多級結構特征的啟發，以天然硅藻土為模板成功制備了結構穩固、無枝晶生長的多級結構鋰金屬固態復合負極，基于該鋰金屬復合負極構筑的固態鋰金屬電池表現出優異的電化學性能。該工作于2019年6月6日以“硅藻土衍生的多級復合負極用于高性能全固態鋰金屬電池”為題發表于《自然·通訊》（Nature Communations 2019, 10, 2482）。論文的第一作者是中國科大博士后周飛。
研究人員首先通過鎂熱還原法將天然的硅藻土轉化為具有多級孔道結構的硅框架。隨后，將該多級結構硅框架與熔融態的鋰金屬混合并充分攪拌反應制得鋰-硅復合粉體。然后，采用聚環氧乙烷基聚合物固態電解質（PEO-SPE）對鋰-硅粉體進行表面修飾。最后，通過冷壓工藝將上述粉體在模具中壓制成具有多級結構的復合鋰金屬負極（PEO-DLSL）（圖1a）。在PEO-DLSL中，鋰金屬是嵌在PEO-SPE修飾的Li4.4Si框架的孔道結構之中，從而提升了其與電解質的接觸面積，有利于得到更均勻的鋰離子流，保持了電極結構的完整性。從而使得在較高電流密度下（>0.5 mA cm-2），多級結構鋰金屬復合負極能夠實現鋰金屬的均勻沉積和脫出，有效抑制了鋰枝晶的生長（圖1b）。而對于傳統的平板鋰箔而言，在同樣的條件下，鋰枝晶很容易生長并引起電池短路（圖1c）。
圖1：（a）硅藻土模板衍生的多級結構固態鋰金屬復合負極的制備過程示意圖。（b）多級結構固態鋰金屬復合負極的鋰沉積/脫出示意圖。（c）平板鋰箔負極的的鋰沉積/脫出示意圖。
以PEO-SPE作為固態電解質，PEO-DLSL對稱電池在鋰脫出/沉積測試中可穩定性循環超過1000小時不短路，同時極化電壓可以保持在100毫伏以下。而傳統的鋰箔負極表現出很高的極化電壓（200毫伏以上）并且在循環50圈后就發生了短路（圖2a）。研究人員進一步考察了PEO-DLSL在全固態鋰金屬電池（PEO-SPE為固態電解質，磷酸鐵鋰為正極）中的性能，如圖2b所示，基于PEO-DLSL的固態鋰金屬電池表現出非常好的循環穩定性（0.5C倍率下可循環500圈，容量衰減速率為0.04%/每圈），而采用平板鋰箔的固態鋰金屬電池在循環75圈后即發生了短路（圖2a）。
圖2：（a）多級結構鋰金屬復合負極與平板鋰箔的對稱電池循環性能對比。（b）多級結構鋰金屬復合負極與平板鋰箔的全固態鋰金屬電池循環性能對比。
綜上，基于硅藻土多級孔道結構模板，研究人員成功構筑了多級結構鋰金屬復合負極，在全固態鋰金屬電池應用中表現了突出的電化學性能。這項研究是天然多級結構模板在制備高性能固態鋰金屬復合負極方面新的嘗試，將為高比能/高安全儲能器件的研制提供新的結構設計思路。
該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心等的資助。
