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新成果！青島能源所開發(fā)出利用誘導(dǎo)沉積制備薄層無(wú)枝晶金屬鋰負(fù)極新方法
2021年11月02日 15:28:48
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程 點(diǎn)擊量：6342
金屬鋰負(fù)極在充放電過程中，易與電解液發(fā)生各種副反應(yīng)形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，且伴隨電極界面鋰的不規(guī)則沉積導(dǎo)致形成針狀或樹枝狀的鋰枝晶。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近年來(lái)，隨著智能手機(jī)、電動(dòng)汽車等產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)兼具高能量密度、高安全性的二次儲(chǔ)能電池的需求日益增長(zhǎng)。在各類電池材料體系中，金屬鋰憑借著高理論容量、低氧化還原電勢(shì)、低密度等優(yōu)勢(shì)，成為儲(chǔ)能研究領(lǐng)域的前沿課題。
然而，金屬鋰負(fù)極在充放電過程中，易與電解液發(fā)生各種副反應(yīng)形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜，且伴隨電極界面鋰的不規(guī)則沉積導(dǎo)致形成針狀或樹枝狀的鋰枝晶。鋰枝晶的形成和生長(zhǎng)會(huì)給電池體系帶來(lái)不可逆的容量損失，甚至可能會(huì)穿過隔膜而導(dǎo)致電池正負(fù)極內(nèi)部短路引起過熱、自燃等安全隱患。
如何更好地調(diào)控金屬鋰在電化學(xué)沉積界面的成核以及沉積行為、抑制電化學(xué)反應(yīng)過程中鋰枝晶生長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)金屬鋰負(fù)極在高能量密度二次電池，包括鋰金屬固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空電池能否實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應(yīng)用研究組利用富碳結(jié)構(gòu)石墨炔分子中大量分布的活性炔鍵以及微納孔結(jié)構(gòu)等獨(dú)特性質(zhì)，將石墨炔及其衍生物應(yīng)用于金屬負(fù)極保護(hù)，取得了系列創(chuàng)新性研究成果：石墨炔在金屬鋁負(fù)極表面可以有效降低鋁鋰合金的沉積電位，抑制鋰在鋁負(fù)極界面的快速無(wú)序沉積，緩解電化學(xué)反應(yīng)過程中鋁負(fù)極的粉化失效；運(yùn)用三維結(jié)構(gòu)石墨炔碳骨架的親鋰性和導(dǎo)電性，可以在銅集流體表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、無(wú)枝晶的金屬鋰沉積。
在上述研究基礎(chǔ)上，該研究組進(jìn)一步運(yùn)用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將具有較大電負(fù)性和親鋰作用的含硫噻吩官能團(tuán)與炔鍵相連，報(bào)道了一種利用誘導(dǎo)沉積的方法直接在集流體表面實(shí)現(xiàn)可控制備薄層海藻狀金屬鋰負(fù)極以提高鋰金屬電池循環(huán)穩(wěn)定性的方法。
研究將具有較大電負(fù)性和親鋰作用的含硫噻吩官能團(tuán)與炔鍵相連，實(shí)現(xiàn)噻吩炔表面鋰金屬的均勻成核和生長(zhǎng)，并形成由單個(gè)金屬鋰棒生成的海藻狀金屬鋰薄層。研究通過理論計(jì)算明確噻吩炔中均勻分布的硫原子與炔鍵形成的協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)鋰與成核活性位點(diǎn)之間的相互作用，優(yōu)化整個(gè)碳骨架區(qū)對(duì)于鋰的均勻吸附能力，利用硫原子調(diào)控電荷在鋰與噻吩炔界面的轉(zhuǎn)移與傳輸性能，降低鋰的成核過電勢(shì)從而誘導(dǎo)鋰均勻成核。
結(jié)果表明，海藻狀薄層金屬鋰與銅箔上直接沉積的塊狀金屬鋰相比，體現(xiàn)出較低的成核過電勢(shì)與界面阻抗，并在對(duì)稱金屬鋰電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。由海藻狀鋰金屬負(fù)極和Li4Ti5O12作為正極組裝的全電池在1000多個(gè)循環(huán)中具有優(yōu)異的容量保持率。
該研究為制備具有特定形貌的薄層鋰金屬負(fù)極提供了簡(jiǎn)便而可控的策略，有助于加深對(duì)金屬鋰沉積機(jī)理的認(rèn)識(shí)，并有望推動(dòng)金屬鋰在無(wú)負(fù)極金屬鋰電池等高能量密度電池中的應(yīng)用。
基于誘導(dǎo)沉積的方法可控制薄層金屬鋰負(fù)極
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