中國儲能網(wǎng)訊：鋰金屬作為鋰二次電池的“圣杯”負極材料，具有3860毫安時/克的高比容量以及最低的氧化還原電位，既可以被應用于鋰空氣、鋰硫等高能量密度體系中，也可以與鋰離子正極材料配對實現(xiàn)二次電池能量密度的大幅度提升。然而，受制于鋰金屬沉積過程中的不規(guī)則枝晶生長以及鋰金屬與電解液的不可逆反應，鋰金屬負極在循環(huán)過程中會形成極度不穩(wěn)定的電極/電解液界面，快速損耗電池容量和增加電池內(nèi)阻，導致鋰金屬負極在電池中的實際應用依然受到諸多挑戰(zhàn)。
針對鋰金屬界面不穩(wěn)定的頑疾，中國科學院波材料技術與工程研究所新型儲能材料與器件團隊進行了一系列的界面多孔結(jié)構(gòu)設計，通過空間限域方式抑制鋰金屬電極不規(guī)則的表面體積膨脹，減輕沉積鋰金屬對其界面鈍化層的機械壓力，從而改善了鋰金屬界面SEI膜易破損的問題，并實現(xiàn)了鋰金屬負極庫倫效率及循環(huán)壽命的顯著提升（圖1）。在第一代模型中，科研人員通過使用氧化鋁孔隙層結(jié)合FEC成膜添加劑的復合方法，將沉積鋰金屬抑制在氧化鋁孔隙中的同時，形成一種機械性能優(yōu)異的SEI膜貫穿于孔隙結(jié)構(gòu)中，兩者相互協(xié)同效應，有效地將鋰金屬在碳酸酯電解液中的庫倫效率提升至97.5-98%（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2427-2432）。在第二代模型中，科研人員用3D集流體孔隙結(jié)構(gòu)代替無機孔隙層，在維持一代模型優(yōu)勢的同時，進一步減小局部電流密度，延緩枝晶生長以及延長鋰金屬的循環(huán)壽命至150周以上（ACS Appl. Mater. Interfaces2016, 8, 26801-26808）。在第三代模型中，通過使用不定型碳為孔隙骨架，科研人員發(fā)現(xiàn)一種高比表面積三維生長的SEI膜能進一步提升鋰金屬的循環(huán)壽命，該工作發(fā)表在J. Mater. Chem. A,上。
近期，該團隊與中科院上海硅酸鹽研究所研究員郭向欣、美國太平洋西北國家實驗室教授張繼光合作，開發(fā)了一種可移植性富LiF層作為器件化的鋰金屬保護膜（圖2）。該保護膜由交聯(lián)的納米級LiF域構(gòu)成，可將新沉積的金屬鋰與電解液溶劑隔開，避免直接接觸及副反應，從而大幅度提升鋰金屬負極的循環(huán)性能。此外，這種可移植保護膜能夠直接用作眾多鋰金屬電池體系的獨立保護組件，對電池性能的提升具有很好的促進作用。部分研究成果發(fā)表在Nano Energy上。
以上工作獲得了中國博士后基金面上一等資助、中國博士后基金特別資助、寧波市自然科學基金、浙江省自然科學基金青年項目、國家自然科學基金外籍青年研究人員項目以及中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。
圖1.用于鋰金屬負極保護的不同界面孔隙結(jié)構(gòu)。
圖2.一種可移植性富LiF層作為器件化的鋰金屬保護膜。
