锂离子在碳材料负极中的存储机制会限制电池的能量密度。完全以锂离子的形式存储会牺牲电池的能量密度，而完全以锂金属的形式存储则会缩短电池的循环寿命。通过有效的碳负极选择和界面工程，混合锂离子/金属的存储形式能够最大化电池的能量密度和循环寿命。在已报道的工作中，碳基底储存锂离子的能力非常有限，即在0-0.1V的低电位范围内几乎没有锂嵌入容量。虽然碳基底可以减少锂金属的消耗，但不能阻止它的消耗。即大多数碳基底不能储存锂离子，但可以大量存储（沉积）锂金属。这不可避免地导致电池在充放电过程中以大量的锂金属形式参与反应，从而加速电池容量的衰减。

近日，诸侯官网郑志锋教授团队利用木质素酚醛树脂衍生自支撑碳纳米纤维膜（CF）作为负极，四氢呋喃(THF)作为主要电解液溶剂，通过筛选一系列具有低能垒的锂盐电解液来调节界面化学，从而实现锂离子的快速传输、增加CF负极的低电位容量以及提高库伦效率（CE）。其中，1M LiFSI-THF+0.5wt% LiNO3 (LiFSI-THF-LNO)电解液使CF||Li电池具有最高236.5 mA h/g的低电位容量，以及优异的倍率性能和长循环稳定性。此外，为了进一步增加CF负极容量，在完全放电下继续沉积300 mA h/g锂在CF负极上以形成混合锂离子/金属的存储形式。这种混合锂离子/金属存储形式能够利用有限的锂源来最大化锂插入容量，从而实现高效的锂利用。结果显示无论在快充/放电还是极端低温下，CF负极的平均CE均可达到99.9%。预循环后的CF负极与NCM811正极匹配，全电池的N/P比为0.5（意味着在相同正极负载量下，CF负极的质量比传统的锂离子电池碳负极质量减少一半，这有效提升能量密度）。在25°C和-20°C时，纽扣全电池提供的容量分别为527.3 mAh/g和381.5 mAh/g，对应的能量密度分别为312.6和223.7 Wh/kg (基于负极和正极的活性材料)。即使是在2 C快充/放电下，电池也能稳定循环超过1000次。同时，在1 C下，100 mA h的软包电池经过500次循环后容量保持率仍高达83%。这也是目前使用碳材料负极用于锂离子/金属混合电池中具有最好长循环稳定性的报道。这种通过提升锂离子低电位容量进而提高混合锂离子/金属循环稳定性的设计是能提高锂电池能量密度和寿命有效方法。

该工作以“Interfacial Chemistry Design for Hybrid Lithium-ion/Metal Batteries under Extreme Conditions”为题发表在国际知名期刊“Advanced Energy Materials”上。诸侯官网2021级博士生吕泰裕、2020级博士生罗奋强为该论文共同第一作者，郑志锋教授、弗吉尼亚理工大学陶磊博士、广西大学梁立喆老师为论文的共同通讯作者。论文还得到王德超老师的支持和帮助。该论文得到国家自然科学基金项目(No.31870570)和福建省科技计划项目(No.2020H4026, No.2022H6002)的支持。

全文链接： https://doi.org/10.1002/aenm.202304520

（图/文 储能学系）