高エネルギー密度ナノ固体金属リチウム電池とその主要材料

図1.湾曲したグラファイト球への金属リチウムの（a）堆積プロセスと（b）堆積メカニズムの概略図。

図2.（a）グラフ化された炭素繊維の放電曲線と堆積の概略図。 （b）元の材料および（c）0Vに放電した後、（d）2mAhcmの堆積？ 2、（E）後8mAhcmをデポジットしますか？ 2の後、（f）は4mAhcmを溶解しますか？ 2（g）で1Vに充電したときの電極の表面形態。

図3.（a）ipn-PEA電解質の準備（上）とリチウム堆積（下）。 （b）ipn-PEA電解質のモジュラー図。 （c）李| ipn-PEA電解質| LFPソフトパックバッテリーカット電圧写真。 LEDデバイスは、フレキシブルバッテリー曲げ試験の前（E）と後（f）に点灯できます。

科学技術省、国家自然科学技術評議会、中国科学院の支援を受けて、中国国立科学技術財団は、解決するための高エネルギー密度ナノ固体リチウム金属電池の開発に多大な努力を払ってきました。リサイクルと安全性の課題。中国科学院化学研究所の分子ナノ構造とナノテクノロジーの主要研究所の研究者であるGuoyuguoは、金属リチウム負極、固体電解質、および固体電池の研究において一連の進歩を遂げました。

近年、このグループの研究者は、金属リチウムの負極の研究に長い間専念してきました。以前の研究では、充電および放電中の金属リチウムの負極の不均一な溶解および堆積（すなわちデンドライト）の問題を解決するために、彼らは、の均一な堆積および溶解を導くための三次元ナノ結晶の使用を提案した。三次元電極内部の金属リチウム。金属リチウムデンドライトの制御は成功裏に達成されました（Nat.Comun。、2015、6,8058）。研究者らは、金属リチウムの表面に高陽石弾性率と迅速なリチウムイオン輸送能力を備えたリチウム電解質リン酸塩固体膜を形成することに成功し、金属リチウムと電解質の間の副反応を効果的に低減するその場処理技術を提案および開発した。リチウムデンドライトの成長（Adv.Mater。、2016、28、1853）。

金属リチウム負極の利用率が低いという問題をさらに解決するために、研究者らは、グラファイト炭素材料の構造上の利点に基づいて、高効率で安定した「リチウム貯蔵室」の概念（図1）を提案し、3つでタマネギを栽培しました次元の導電性骨格、グラフ化された球状炭素粒子、金属リチウム/電解質界面の均一な調整が達成され、炭素球面上での金属リチウムデンドライトの成長が効果的に制御され、リチウムの利用率が大幅に向上します。負極容量がわずか5％過大な状態でも、バッテリーは長期間サイクルを安定させることができます。この研究の結果は最近発表されました。 J.Am.Chem.Socに掲載されました。 （2017、139,5916）。

大容量リチウム金属アノードにおけるデンドライト成長とサイクル安定性の低下の問題を解決するために、研究者らは、電気化学的に活性な黒鉛化炭素繊維を多機能三次元集電体として使用して、最大8mAhcm-2の表面積を持つ金属を得ました。樹状突起はありません。リチウム負極。黒鉛化炭素繊維は局所的な電流密度を低減し、体積変化を軽減できるため、アノードは高いクーロン効率、低電圧分極、およびサイクリング中の長いサイクル寿命を示します。関連する結果が最近Advに掲載されました。メイター。 （2017、29、1700389））オン。

金属リチウム電池の電解質に関する初期の研究では、サイクルプロセス中に金属リチウムの表面に自発的に形成されたSEIの不可逆的な劣化が存在します。タスクグループは、エーテル電解質とイオン液体の混合電解質システムを設計しました。金属リチウム負極の堆積挙動とサイクル安定性の改善（Adv.Sci。、2017、4,1600400）;研究者らは、Alコロイド粒子を含む機能性電解質添加剤を提案しました。電解質にAlCl3を添加することにより、金属リチウムの表面に均一で安定したコンパクトなSEI膜をその場で形成し、金属リチウム/電解質の界面を安定化させることに成功しました（NanoEnergy、2017、36,411）。

電池の安全性を向上させ、液体電解質中のリチウムデンドライトの問題をさらに解決するために、研究者らは一種の2機能相互貫入ネットワーク構造ポリ（エーテルアクリレート）固体電解質を設計および構築しました（図3）。固体電解質（ipn-PEA）は、高い機械的強度（約12 GPa）と高いチャンバー温度のイオン伝導率（0.22 mScm？）を設定します。 1）1つは、リチウムの析出/析出のバランスが取れていることです。 ipn-PEA電解質は、界面抵抗の低減とリチウムイオン透過の加速という二重の効果により、リチウムデンドライトの成長を効果的に抑制し、室温の固体リチウム金属電池の実現可能性を再形成します（J.Am.Chem.Soc。、2016、138 、15825）。

固体金属リチウム電池に関するタスクグループの主要な研究を考慮して、研究者はACSENERGYLETの編集長から招待され、固体金属リチウム電池の研究開発の見通しに関する展望論文を執筆しました（ACSENERGYLET。、2017、2 、1385）、同時に、彼は金属のリチウム負極の高度な炭素材料に関する要約記事を書くように招待されました（Adv.Energy Mater。、2017、DOI：10.1002/aenm。201700530）。さらに、Adv.Sci.Journalの招待により、チームは清華大学のZhang Qiang准教授とも協力して、リチウムの電気化学的挙動と電極設計戦略に関する概要論文を執筆しました（Adv.Sci.2017、4 、1600445）。

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