近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员、郑双好副研究员团队，设计了三维多孔导电亲锂的Ti3C2Tx MXene骨架用于高容量、无枝晶金属锂负极，匹配三维多孔导电、超高载量磷酸铁锂正极，研制出高能量密度、长寿命锂金属电池。
锂金属电池因金属锂负极具有高理论比容量（3860 mAh/g）和低氧化还原电压（-3.04V vs. SHE）而被认为是下一代高能量电池。然而，由于其存在不可控的锂枝晶、死锂，以及充放电过程锂金属体积膨胀等问题，导致锂金属循环性能差，安全性能低，限制了锂金属负极在高比能锂金属电池中的实际应用。此外，传统的刮涂法制备出的正极活性物质载量有限（20mg/cm2），面积容量往往低于4mAh/cm2，使得锂金属电池的面积能量密度较低。因此，如何同时获得稳定的无枝晶锂负极和匹配的高载量正极，以实现长寿命和高能量密度的锂金属电池，仍面临挑战。
本工作中，该团队研制了3D打印Ti3C2Tx MXene框架沉积的锂金属负极与超厚磷酸铁锂框架正极，构筑出高面积能量密度、长寿命锂金属电池。研究发现，MXene导电骨架的亲锂特性能够调节局部电流分布，均匀化锂成核与沉积，形成均匀的富LiF固体电解质界面层和稳定的锂/电解质界面，实现了高容量（30mAh/cm2）、高稳定（＞4800h循环）且无枝晶的锂金属负极。3D打印磷酸铁锂电极（载量171mg/cm2）具有三维多孔导电框架结构，促进了电子传输动力学速率，降低了厚电极中的离子传输距离，提高了活性材料的利用率，从而有效地提高了锂金属电池的电化学性能。所匹配的锂金属全电池（锂负极过量50%）表现出25.3mAh/cm2的高面容量和81.6mWh/cm2的高面能量密度，远高于目前文献中报道值。本工作通过3D打印同时解决了锂金属负极不稳定和正极面容量较低的问题，为研制长寿命、高比能锂金属电池提供了一条可行的途径。
在构筑可打印电化学储能器件工作中，该团队此前曾开发出多种打印技术，如喷涂打印微型超级电容器（Adv. Mater.，2017；ACS Nano，2017），丝网印刷微型超级电容器、锂离子/锌锰微型电池（Energy Environ. Sci.，2019；Natl. Sci. Rev.，2020；Adv. Mater.，2021；Small，2021），喷墨打印微型超级电容器与自供电温度传感集成系统（Adv. Energy Mater.，2021），3D打印钠离子微型电池与微型/杂化超级电容器（J. Energy Chem.，2021；Adv. Energy Mater.，2022；Adv. Mater.，2022）等。
相关研究成果以“All 3D printing lithium metal batteries with hierarchically and conductively porous skeleton for ultrahigh areal energy density”为题，于近日发表在《能源存储材料》（Energy Storage Materials）上。该工作的第一作者是我所508组博士研究生马佳鑫。上述工作得到国家自然科学基金、中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”、中科院洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。（文/图 马佳鑫、郑双好）
