金属锂被涂覆在石墨烯/碳纳米管混合材料上作为电池负极， 锂金属涂覆负极的三维结构，避免形成枝晶

近日消息，莱斯大学的研究人员创建了一种基于石墨烯和碳纳米管混合物的可充电锂电池，其容量是目前商业锂离子电池容量的三倍。这主要归功于他们解决了长久以来困扰锂电池的性能提升的“锂枝晶”问题。

该电池将金属锂涂覆在石墨烯/碳纳米管复合材料上作为负极。石墨烯/碳纳米管无缝复合材料在2012年就首次被莱斯大学的科研人员制备出来了，由于具有三维结构，该材料的比表面积非常大，可以提供丰富的储存锂的空间。

电子显微镜图像显示均匀涂覆有金属锂的碳纳米管。 在莱斯大学创建的石墨烯 - 碳纳米管负极的测试表明，它可以抵抗锂树枝状晶体的形成，延长电池寿命。

该负极材料的容量达到了储存锂金属的理论最大值，可达3351mAh/g，同时还避免了锂枝晶的形成。锂离子电池在多个充/放电周期、大电流充电或者过长充电时间的情况下,容易在负极表面形成锂枝晶(树突状),不仅会缩减电池的电容量,还会导致短路等安全事故。这个难题已经成为阻碍锂电池向续航力能更久、充电更快发展的瓶颈之一。

该研究成果发表在了最新的《ACSNano》杂志上。

 共价键合到石墨烯基底上的碳纳米管

由莱斯大学教授James Tour领导研究团队发现，他们制备的新型锂电池充电时，锂金属会均匀涂覆在由纳米管与石墨烯共价键合形成的高导电碳杂化物表面。该混合物替代了在普通锂离子电池中的石墨负极。这种具有低密度和高表面积的新型纳米管森林负极具有充足的锂离子电池充放电空间。 锂离子均匀分布，可以抑制锂枝晶的生长。

该项研究是在2014年取得初步突破的，当时还是Tour课题组的研究生，现在是剑桥大学博士后的Abdul-Rahman Raji开始研究将石墨烯/碳纳米管作为电极材料。他说：当分析一个全电池中与锂钴氧化物阴极组合的阳极材料中储锂的实验结果时，我推测，金属锂必须被镀在电极上。

一个星期后，Raji和他的一个伙伴尝试将锂金属沉积在一个独立的复合负极材料上，以便可以用显微镜观察，“我们惊呆了，发现没有锂枝晶生长，这将有可能创造历史，”他说。

为了测试这种新的负极材料，该研究团队利用硫作为正极组装了全电池，在经过500个充放电循环后还保有80%的容量，这对于正常的手机用户来说，大约可以用两年的时间。在显微镜下观察，负极表面没有出现锂枝晶或者沉积。研究人员报告说，肉眼看，当没有充电时，负极是黑色的，当充满锂是负极是银色的。

许多科研人员做电池的相关研究时只关注负极材料，因为做全电池有些困难。Tour说，与他们不同，我们将开发基于硫正极的技术以适应基于这种超高容量的负极材料。我们正在以中试规模生产这种全电池，包括正极和负极材料，并进行测试。锂-硫电池是以金属锂为负极,单质硫为正极的二次电池,因其具有高的理论比容量(1675mAh/g)及理论能量密度(2600 Wh/kg),成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系之一。并且,硫储量丰富、成本低廉、环境友好,是一种"绿色电池"。