9月24—26日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會聯(lián)合200余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十屆中國國際儲能大會在深圳鵬瑞萊佛士酒店召開。此次大會主題是“共建儲能生態(tài)鏈，開啟應(yīng)用新時代”。 來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(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。本次大會由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會、中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)組和中國儲能網(wǎng)聯(lián)合承辦。

在24日下午的“儲能系統(tǒng)集成設(shè)備及梯次利用專場（上） ”專場，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告《金屬鋰復(fù)合負(fù)極的構(gòu)筑及應(yīng)用》。會務(wù)組對發(fā)言人的演講速記做了梳理，方便大家會后交流、學(xué)習(xí)，以下是速記全文：



柯曦：謝謝大家。我是來自廣東工業(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。

我的匯報分為這幾個方面：鋰金屬負(fù)極研究背景簡介、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，后面因為發(fā)生爆炸等問題，加之鋰離子二次電池開發(fā)的成功，鋰金屬二次電池技術(shù)路線陷于停滯。隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，特別是基于對高比能電池體系的現(xiàn)實需求，人們現(xiàn)在又開始努力攻克鋰金屬負(fù)極技術(shù)難點。作為負(fù)極材料，鋰金屬負(fù)極具有明顯的優(yōu)點，例如理論比容量高，電極電勢與密度低等，但也存在很大問題，例如庫倫效率低、易長枝晶而引發(fā)安全問題等。針對鋰枝晶生長問題，目前研究者們提出很多方案解決這個問題，比如說電解液體系調(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程中的有效電流密度，同時可容納金屬鋰負(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，由于孔徑過大，且表面電場分布不均勻，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。

接下來主要介紹一下我們的研究思路，第一個工作是構(gòu)建分級泡沫金屬結(jié)構(gòu)，即在商品化泡沫銅的微米骨架表面再復(fù)合一個亞微米級尺度的泡沫銅結(jié)構(gòu)，以此來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獲得這個復(fù)合泡沫結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，鋰金屬在分級泡沫金屬表面的沉積更加致密，鋰枝晶生長得到有效地抑制。電化學(xué)測試結(jié)果表明，復(fù)合亞微米級泡沫銅結(jié)構(gòu)的集流體擁有更優(yōu)的電化學(xué)性能。

因為集流體的材質(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)納米金對于鋰金屬的沉積和剝離過程的形貌演化會產(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)測試結(jié)果也進(jìn)一步證實，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。對鋰金屬沉積/剝離過程的物理表征以及電化學(xué)性能測試結(jié)果也證實了這種設(shè)計的有效性。與裸泡沫鎳相比，經(jīng)過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，鋰金屬沉積/剝離過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缺點，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，因而會降低電池的能量密度。在接下來介紹的這個工作中，我們選擇比較輕的碳材料，用碳纖維骨架作為集流體，基于熔融鋰浸潤法獲得復(fù)合鋰金屬負(fù)極，同時我們提出“預(yù)剝離”概念，即鋰金屬不需要負(fù)載過多，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，讓它們在鋰金屬循環(huán)沉積/剝離過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。我們也對它進(jìn)行了相關(guān)的理論計算、物理表征，去證明這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)越性。從對鋰金屬沉積/剝離過程中形貌演化的物理表征、以及電化學(xué)性能測試結(jié)果來看，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計確實提升了鋰沉積/剝離過程的可逆性，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，針對憎鋰性集流體的改性均選用的是金來作為親鋰性修飾材料，考慮到金的成本比較高。我們在這個工作中采用鋅作為親鋰性改性材料。通過結(jié)合模板合金電沉積與金屬熱處理技術(shù)，在形成分級泡沫金屬結(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/剝離過程形貌演化的物理表征結(jié)果來看，這種表面工程改性技術(shù)確實是可以極大的改善鋰沉積行為，沒有這種電極結(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，我就沒有太過詳細(xì)地介紹具體的研究細(xì)節(jié)?？偨Y(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)極的實用性，需要解決鋰枝晶生長問題。我們的研究思路是通過構(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/剝離，提升電極過程可逆性，從而有效抑制鋰枝晶生長，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家自然科學(xué)基金委員會對我們團(tuán)隊研究項目的經(jīng)費支持。我就講這么多，謝謝大家。