最近，斯坦福大學(xué)崔屹教授課題組，研究了一種新型褶皺石墨烯籠載體（WGC）用于金屬鋰負(fù)極，WGC提供優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，具有更高的離子電導(dǎo)率和質(zhì)量更好的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。

使用冷凍電鏡表征發(fā)現(xiàn)，石墨烯籠載體表面均勻穩(wěn)定的SEI界面可以防止金屬鋰與電解液直接接觸。在0.5mA/cm2電流中，在碳酸酯電解液從1-10mAh/cm2容量區(qū)間中表現(xiàn)出了高達(dá)98.0%的庫倫效率，并且使用預(yù)先存儲(chǔ)鋰的WGC電極與磷酸鐵鋰配對(duì)后，大大改善了電池的循環(huán)壽命。相關(guān)研究成以“WrinkledgraphenecagesashostsforhighcapacityLimetalanodesshownbycryogenicelectronmicroscopy”為題發(fā)表在NanoLett.上。

提起崔屹，在納米學(xué)術(shù)界幾乎無人不知。崔屹是頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊的常客，現(xiàn)為美國(guó)斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系終身教授，主要從事納米材料在能源、光伏、拓?fù)浣^緣材料、生物和環(huán)境領(lǐng)域的研究工作。目前崔屹已培養(yǎng)近60位博士和博士后，在世界范圍培養(yǎng)了40多位教授。

崔屹是美國(guó)材料學(xué)會(huì)會(huì)士、美國(guó)電化學(xué)會(huì)會(huì)士、英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士，世界知名科學(xué)期刊《納米快訊》副主編。已發(fā)表論文400多篇，包含《Science》《Nature》等全球頂級(jí)雜志，被引用超過12萬次，H因子為164，授權(quán)國(guó)際專利40余件。

鋰的枝晶與鋰電池的安全緊密相關(guān)，充電的時(shí)候如果控制得不好，金屬鋰的枝晶會(huì)長(zhǎng)出來，像一棵樹長(zhǎng)出樹枝，枝晶會(huì)捅破電池正負(fù)極之間的隔膜，造成短路，甚至引發(fā)爆炸。

固體電解質(zhì)界面膜（SEI）是負(fù)極材料和電解液接觸后生成的反應(yīng)物，厚度約為50個(gè)納米左右。這層膜影響著電池的穩(wěn)定性，決定著循環(huán)使用壽命到底是1000次還是10000次。

如果能看清金屬鋰枝晶的原子層面，知道界面膜的結(jié)構(gòu)，就能進(jìn)一步解決以金屬鋰為負(fù)極材料的鋰電池的安全問題，并使其壽命更長(zhǎng)。

但這個(gè)問題一直困擾學(xué)界半個(gè)世紀(jì)之久。金屬鋰的熔點(diǎn)低，使用電子顯微鏡觀察時(shí)，電子束會(huì)將它融化，“打出一個(gè)洞”，就會(huì)破壞了原本的結(jié)構(gòu)。直到冷凍電鏡的應(yīng)用，終于解決了這個(gè)問題。

由于鋰電池的最高理論容量（3860mAh/g）和最低電極電位（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為-3.04V）,長(zhǎng)期以來被認(rèn)為是電池負(fù)極的“圣杯”。崔屹也一直視金屬鋰為一種未來的電池負(fù)極材料，因?yàn)榻饘黉嚨哪芰棵芏雀撸绻鉀Q了安全性等問題，可以將現(xiàn)在電動(dòng)車電池的儲(chǔ)能翻倍。

然而，在充放電過程中，鋰金屬高化學(xué)反應(yīng)性和大體積波動(dòng)而導(dǎo)致低庫倫效率和低安全性，由于鋰金屬的無主體特性，在循環(huán)過程中體積膨脹導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）破裂。盡管已經(jīng)采取了一些有效的策略，這些方法未能解決鋰金屬的無主體性質(zhì)，這意味著鋰金屬沉積和剝離過程中沒有任何物理限制。

近期，學(xué)術(shù)界引入了鋰金屬的人造“主體”的想法，這些結(jié)構(gòu)能夠減少循環(huán)期間的電極體積變化和局部電流密度，從而使充-放電期間的過電勢(shì)更低，并且SEI更穩(wěn)定，但還是面臨著“主體”結(jié)構(gòu)的無定型導(dǎo)致機(jī)械性能差，阻抗更高和難以承載高于2mAh/cm2容量等限制。因此，研究能夠既能提高庫倫效率，又能承載更高載量的主體結(jié)構(gòu)，代表著一個(gè)非常重要的方向。

崔屹課題組研究出了這種新型褶皺石墨烯籠載體用于金屬鋰負(fù)極，在低面積容量下，鋰金屬優(yōu)先沉積在石墨烯籠內(nèi)，隨著容量的增加，鋰金屬致密且均勻地沉積在石墨烯籠之間的外部孔隙中，沒有枝晶生長(zhǎng)或體積變化。石墨烯籠載體提供優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，并具有更高的離子電導(dǎo)率和質(zhì)量更好的固態(tài)電解質(zhì)界面，可以防止金屬鋰與電解液的直接接觸。在0.5mA/cm2電流中，在商品化碳酸酯電解液從1-10mAh/cm2容量區(qū)間中表現(xiàn)出了高達(dá)98.0%的庫倫效率，在使用預(yù)先存儲(chǔ)鋰的石墨烯籠載體電極與磷酸鐵鋰配對(duì)后，電池循環(huán)壽命大大改善。

崔屹認(rèn)為目前鋰離子電池的主流正極是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰或三元材料，負(fù)極材料主要是石墨，但其能量密度是有限，最多約為300Wh/kg。接下來發(fā)展第一步是將硅取代石墨作為負(fù)極材料，可將能量密度提升至400Wh/kg；第二步，負(fù)極材料從硅換為金屬鋰，能量密度可達(dá)到500Wh/kg；第三步，正極材料改為硫，負(fù)極材料為金屬鋰，電池能量密度可達(dá)到600Wh/kg。

崔屹表示，能量密度達(dá)到500Wh/kg時(shí)，特斯拉一次充電可以開800到1000公里，比燒油的車跑得還遠(yuǎn)。