mile米乐官方网站 实现大容量锂金属电极，显着提高电流密度和寿命

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）纳米管实际应用研究中心首席研究员周瑛及其同事与Zeon Corporation（以下简称“Nippon Zeon”）研究员Tomoko Yamagishi超生长单壁碳纳米管由于使用（SGCNT）制成的片材而对锂金属进行充电和放电时发生树突该技术能量密度高、容量大锂金属电极（负极）的实际应用做出贡献

在锂离子二次电池中，与现有的负极材料（例如石墨）相比，锂金属具有极高的能量密度。然而，传统负极技术存在的问题是，充放电过程中锂枝晶的生长会破坏电池的材料结构，影响其寿命。

通过该技术，创建了具有高锂亲和力、高比表面积和高孔隙率的SGCNT片，并将其夹在隔膜和锂金属电极之间，显着提高了锂金属电极的寿命。此外，SGCNT片材可实现量产，高性能锂金属电极有望在未来投入实际应用。 Zeon公司计划提供SGCNT片材样品。该技术的详细信息将于2022年1月26日至28日在东京国际展览中心举行的2022纳米技术展览会上公布。

随着物联网和电动汽车等应用的扩大，需要重量更轻、容量更大的锂离子二次电池，新型电极材料和全固态电池、空气电池、锂硫电池等各种类型的蓄电池正在开发中。其中，锂金属具有高能量密度，作为二次电池的负极材料正在被积极研究。然而，随着电池充电和放电，锂枝晶会在其表面生长。结果，存在如下问题：由于分隔负极和正极的隔膜损坏，电池的材料结构发生变化，并且电池容量在短时间内下降。因此，锂金属电极尚未投入实际应用。这里报道的安全可靠地使用锂金属电极的技术是一项关键技术，将显着提高锂离子二次电池的性能。

2004年，AIST开发了SGCNT，这是一种高纯度、长长度、高比表面积和优异分散性的单壁碳纳米管，Zeon公司于2015年成功量产。此后，AIST和Zeon共同致力于SGCNT分散和成膜技术的开发，最终成功开发了具有高比表面积的可量产的SGCNT片材表面积大、孔隙率高、碳纯度高、对锂的亲和力高，一直致力于其在电池等方面的应用。

如果可以使用锂金属作为锂离子二次电池负极的活性材料，则可以预期电池能量密度的显着提高。然而，由于充放电过程中锂金属表面锂枝晶的生长，出现了各种问题。

10442_10589对称单元，我们评估了电解液中的充电和放电特性。在充放电测试中，电位差(过压)以诊断电池劣化状态。结果，当使用采用该技术结合锂金属和SGCNT片的电极时，每单位面积的充电/放电电流为2mA/cm²，充放电容量为2mAh/cm²的条件下，即使在连续200小时后也能维持稳定的过电压，并且充电和放电继续进行（图1（a）右侧）。另一方面，当单独使用锂金属作为电极时（图1（b）左），约55小时后两个电极之间的过电压迅速上升，锂金属的电极性能在短时间内劣化（图1（b）右）。

充放电前SGCNT片材的扫描电子显微镜(SEM)照片(图2(a)上侧)显示出具有孔隙的SGCNT结构，充放电后SGCNT表面均匀致密地形成约50nm的锂金属颗粒(图2(a)下白色部分)，表明碳纳米管具有与锂金属高亲和力的表面。此外，在锂金属充放电前后的SEM照片（图2（b））中，观察到充放电后锂金属表面覆盖有直径为数μm的棒状晶粒，表明锂枝晶正在生长。

这些结果表明，在隔膜和锂金属之间插入SGCNT片可以有效抑制充电和放电过程中锂枝晶的生长。新开发的SGCNT片材具有三维结构，利用其高比表面积和高孔隙率的优势，并且对锂具有高亲和力，使锂金属在充电和放电过程中均匀反应，并被认为可以抑制锂枝晶的晶体生长。

与SGCNT片类似，使用市售的多壁和单壁碳纳米管(CNT)制备CNT片，并以与上述相同的方式将其插入隔膜和锂金属之间以制造硬币形对称电池，并评估锂金属电极的充放电特性。

如图3所示，单位面积充放电电流为2mA/cm²，循环容量2mAh/cm²进行充电和放电时，市售的多壁CNT A和B在短时间内经历了过电压的增加，并且在约100小时之后就无法进行正常的充电和放电，并且电极特性在短时间内劣化。此外，当使用市售的单壁碳纳米管C和D时，发现过电压从初始充电和放电开始剧烈波动，并且过电压在50小时内迅速下降。

当使用由市售的多壁和单壁CNT制成的CNT片时，即使在短期充电和放电期间也观察到劣化，因此认为抑制锂枝晶的效果有限。此外，具有高比表面积、高孔隙率和高锂亲和力的特性被认为是抑制锂枝晶的关键。

另外，充放电电流密度为10mA/cm²循环容量10mAh/cm²使用 SGCNT 片评估锂金属电极的特性（图 4）。这些结果表明，即使在充放电1000小时后，仍保持稳定的过电压并保持良好的充放电特性，这表明SGCNT片即使在高能量密度和大容量充放电期间也具有足够的锂枝晶抑制效果。

这些结果表明，通过在隔膜和锂金属电极之间插入新开发的SGCNT片，锂金属电极可以稳定地用于高能量密度和大容量的充电和放电。

未来，我们的目标是详细阐明SGCNT片的锂枝晶抑制作用的机理，开发利用该性能的高能量密度、大容量、长寿命的蓄电池，并致力于将SGCNT片投入实际应用。本研究中使用的 SGCNT 片可由 Zeon Corporation 提供。此外，还可以进行批量生产。

◆超生长单壁碳纳米管

仅由碳原子组成、直径为04至50 nm、长度为1至数十μm左右的一维纳米碳材料称为碳纳米管（CNT），仅由一层组成的称为单壁碳纳米管（单壁CNT）。这些合成方法之一是化学气相沉积法，通过添加极少量的水而大大提高催化剂的寿命和活性的方法被称为超生长法。利用该方法，可以合成高纯度（传统方法的2000倍）、长长度（传统方法的500倍）、高比表面积和优异分散性的单壁碳纳米管。 AIST于2004年开发出该方法，Zeon于2015年11月开始量产。[返回来源]

◆Dendrite（树枝状晶体）

枝晶是指像树枝一样发育和生长的晶体。以电池的金属负极（锂、锌等）为例，在充电过程中，金属晶体在负极表面不均匀地生长，形成枝晶。结果，负极等的形状大大变形，并且在一些情况下，电池结构可能被破坏，导致电池的充电和放电效率降低。此外，如果枝晶生长并穿透分隔正负极的隔膜，则存在电池内部正负极短路的风险，导致火灾和爆炸事故。[返回来源]

◆锂金属电极（负极）

目前锂离子电池负极大多采用石墨材质，其理论容量密度为370mAh/g。锂金属的理论容量密度为3860mAh/g，因此通过更换锂金属负极，可以大幅提高蓄电池的能量密度。锂金属负极长期以来一直受到人们的关注并得到积极的研究和开发。但由于锂金属枝晶的形成会影响电池寿命，因此尚未投入实际使用。[返回来源]

◆对称电池

典型的电池单元由正极、负极和将它们分开的隔板组成。对称电池的负极和正极采用相同的材​​料和结构，可以准确评估电极材料的充放电特性。[返回来源]

◆过压

过电压是添加到电池两个电极之间的电位差（电池的电位）上的电压。在本研究中使用的对称电池的情况下，正负极均使用相同的材​​料，因此两个电极之间的电位差（电池电位）为0V，过电压是充电和放电时施加在两个电极之间的电压。[返回来源]