综述——商用碳布作为实用锂金属电池基底

研究背景

虽然锂离子电池已经研究了三十多年了，但其有限的能量密度从某种程度上来说还是不能满足当前电动汽车的续航里程焦虑。因此，开发安全、可靠、低成本、高能量密度的电池已成为当务之急。

其中，金属锂阳极的理论容量高达3860.0 mAh/g，氧化还原电位低至?3.040 V（vs. 标准氢电极，SHE）而备受研究者和企业的关注。

然而，锂金属阳极在实际应用中仍然面临着许多挑战，如：不均匀的锂沉积，固体电解质界面（SEI）不稳定，循环过程中不断的体积变化等。

为了解决以上问题，研究者开发了各种方法，如：引入3D宿主材料、构建人工固体电极界面、设计固态电解质等。在上述策略中，具有三维自支撑骨架和高电子导电性的材料在抑制锂金属阳极枝晶生长方面表现不错，这是因为局部电流密度得到降低，体积膨胀的空间增大。

到目前为止，已经报道了各种3D自支撑材料，并可分为金属基（泡沫铜、泡沫镍等）。碳基（碳纳米管、石墨烯、氧化还原石墨烯、碳布、多孔炭等）。对于金属基3D基板，质量重，体积大限制了电池的体积能量密度和质量能量密度，而柔韧性和力学性能较差阻碍了锂金属阳极的实际应用。与金属衬底相比，碳基衬底可以弥补这些缺陷，并且具有使用范围广、成本低、导电率高、热稳定性好、力学性能好和质量密度低等优点。

图片来源：Energy Storage Materials

内容简介

商用碳布具有三维结构、柔韧性好、导电性好、价格便宜、自支撑性等优点，是实用金属锂电池的理想选择。然而，关于金属锂电池用碳布的亲锂性改性的综述和展望仍未见报道。本文对碳布基锂金属电池的研究进展进行总结，并展望未来的发展前景。

哈尔滨工业大学（深圳）慈立杰/李德平等人根据碳布作为锂金属阳极宿主的不同改性机理，从三个方面对其进行了综述。第一部分中，介绍了碳布直接用作锂金属负极以及碳布作为负极时发生Li_xC反应的机理。第二部分介绍了碳布表面杂原子掺杂和官能团引入的表面改性策略以及表面纳米级裂纹的构建，并总结了它们的共同特点。第三部分，分两节介绍了使用亲锂但非反应性材料（CNT、掺杂杂原子的石墨烯等）和亲锂并反应性材料（Zn、ZnO、CuO、CoO、TiO₂等）对碳布进行改性以构建表面纳米结构的锂金属阳极改性策略，并通过相同类型的工作阐明了其内在机理。作者得出结论，使用杂原子掺杂和纳米结构构建可以显著提高碳布的亲锂性，并有助于提高其对称电池的长循环寿命和循环容量保持率。

内容详情

由于本文是综述性文章，内容较多，感兴趣的读者可自行下载原文阅读。

锂金属电池用碳布的改性策略（图片来源：Energy Storage Materials）

碳布基金属锂电池的发展路线（图片来源：Energy Storage Materials）

附：

参考文献：

Zhang S, Xiao S, Li D, et al. Commercial carbon cloth: an emerging substrate for practical lithium metal batteries[J]. Energy Storage Materials, 2022.

文献链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829722001532?via%3Dihub