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寧波材料所在高比能鋰金屬負極保護方面取得系列進展
作者:,日期:2019-02-27

  鋰金屬二次電池是下一代高能量密度儲能器件的首選體系。作為鋰金屬電池的“圣杯”負極材料,鋰金屬具有3860毫安時/克的高比容量以及最低的氧化還原電位,是實現未來鋰空氣、鋰硫等高能量密度體系的必需材料,也是實現中期目標500瓦時/千克級儲能電池的首選負極材料。然而,受制于鋰金屬沉積過程中的不規則枝晶生長以及鋰金屬與電解液的不可逆反應,鋰金屬負極在循環過程中會形成極度不穩定的電極/電解液界面,快速損耗電池容量、增加電池內阻,導致鋰金屬負極在電池中的實際應用受到諸多挑戰。

  針對鋰金屬界面不穩定的頑疾,中國科學院寧波材料技術與工程研究所新型儲能材料與器件團隊長期以來進行了大量的界面保護結構設計,已在前期取得了顯著進展(相關成果發布于J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2427-2432,ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 26801-26808,J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9339-9349,Nano Energy 2017, 39, 662–672)。在此基礎上,團隊基于鋰金屬負極的界面循環機理開展了更深入的基礎及應用研究,并在近期取得了一系列進展。

  為了更好地理解鋰金屬的表面SEI膜化學及電化學反應機理,團隊結合原位電化學-原子力顯微鏡,以雙(氟磺酰)亞胺鋰(LiFSI)為研究對象,系統研究了鋰鹽濃度對SEI膜形貌及力學性能的影響,并發現通過鹽濃度調控,可獲得不同模量及厚度的SEI膜(圖1a)。此類現象在不同溶劑中皆有體現,具有普適性(J. Phys. Chem. C 2018, 122, 9825-9834)。

  通過材料優選和結構設計,結合中壓等離子體技術,本團隊與新能源所葉繼春研究員團隊合作開發了一種碳紙/海綿碳雙層結構,利用鋰金屬在碳紙上的低沉積電位以及海綿碳的高機械性能和電化學惰性,獲得了一種導向性的雙層碳結構,實現了4毫安時/平方厘米的鋰金屬負極穩定循環(Energy Storage Mater. 2018,11,47-56,圖1b)。此外,本團隊還制備了一種特殊的堆疊石墨烯,具備常規石墨烯無法實現的高沉積過電勢。通過將此類堆疊石墨烯吸附于泡沫銅結構中,實現了過濾型鋰金屬沉積在三維結構中的應用,并獲得了高電流密度(5毫安時/平方厘米)下的穩定循環(Energy Storage Mater. 2019, 16, 364-373,圖1c)。進一步地,通過抽濾此類堆疊石墨烯和氟化鋰的分散液,本團隊獲得了一種氟化鋰修飾的層狀碳膜結構,并發現在初次鍍鋰過程中,會在堆疊石墨烯缺陷處發生氟化鋰到碳氟鍵的轉化現象,從而獲得碳氟鍵修飾的層狀保護結構,極大提高了其對鋰金屬的保護性能(Adv. Energy Mater. 2019, 1802912,封面文章,圖1d)。

  該團隊還設計了一系列鋰金屬宿主結構材料,如通過對氮化鋁前驅體進行簡單的鋰化反應,高效制備了一種穩定的Li9Al4-Li3N-AlN鋰金屬宿主結構,獲得了有效比容量達1540毫安時/克的復合鋰金屬負極,實現了與負載量高達4.5毫安時/平方厘米的NCA正極材料匹配的穩定循環(Nano Energy 2019, 59, 110–119, 圖1e)。此為,團隊還以泡沫鎳為基底材料,利用中壓等離子體技術在其表面成功生長了垂直石墨烯列陣,考察了贗電容界面結構修飾的宿主材料對鋰金屬循環穩定性的增益效果(Adv. Funct. Mater. 2018, 1805638,圖1f)。

  以上工作獲得了寧波市自然科學基金(2018A610014)、浙江省自然科學基金青年項目(Q17E020023)、國家自然科學基金外籍青年研究人員項目(51650110490)、寧波市2025項目(2018B10060)以及國家重點研發計劃(2018YFB0905400)的支持。

  圖1 (a)鋰金屬負極界面在不同鹽濃度下的界面表征;(b)一種用于鋰金屬界面保護的導向性雙層碳結構;(c)一種堆疊石墨烯實現的過濾型鋰金屬沉積保護模式;(d)一種碳缺陷位點的界面轉化實現SEI化的功能性鋰金屬保護層;(e)一種簡易制備的Li9Al4-Li3N-AlN結構作為高效的鋰金屬宿主結構;(f)一種垂直石墨烯結構實現的特殊界面鋰離子傳輸及鋰金屬均勻沉積。

 

  (新能源所 李振東 任飛鴻 王木欽 彭哲 王德宇)

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