表面极性调控抑制金属锂负极枝晶生长

锂离子电池的成功商用持续繁荣了电子产品。但是,电子产品的小型化和轻量化对电池的能量密度提出更高的要求。以石墨负极为代表的嵌插型负极经过二十多年的发展已经逐渐达到其理论能量密度,但其难以完全满足高速发展的电子产品以及电动汽车在电池能量密度方面的要求。在众多的负极材料中,锂金属具有极高的容量(3860 mA h g1)和最负的电势(3.040 V vs. 标准氢电极)而成为储能界的“圣杯”,受到研究人员的关注。

在20世纪70年代,锂金属一次电池已经在心脏起搏器、空间探索、石油勘探等诸多领域得到了成功应用。但是受限于锂枝晶生长造成的安全性问题,锂金属二次电池一直事故频发,难以得到市场的认可,并在20世纪九十年代锂离子电池商业应用之后,逐渐被人们遗忘。锂金属二次电池的主要问题在于枝晶生长带来的电池安全性、利用率和使用寿命的降低。抑制枝晶生长是实现高能量密度锂金属电池,包括锂硫电池、锂空电池商业应用的关键。

qiang zhang

枝晶的生长是由于负极表面锂离子和电子的分布不均匀带来锂离子的不均匀沉积。为了实现锂离子在负极表面的均匀分布,获得高安全性的锂金属负极,清华大学张强课题组使用具有较多极性基团的玻璃纤维作为负极表面的修饰层,抑制了枝晶的生长。对于一般的负极铜集流体,其表面难以绝对均匀,突起位置的尖端会导致强锂离子吸附能力,从而在较短时间内吸附大量锂离子,实现锂枝晶的生长。因为枝晶尖端也具有强吸附锂离子能力,所以这种效应体现为正反馈,可以带来枝晶的持续生长。当负极表面覆盖一层具有大量极性基团的玻璃纤维时,铜集流体的突起尖端对锂离子的吸附能力弱于玻璃纤维。在玻璃纤维电场的诱导下,锂离子在负极表面趋向于分散,从而达到锂离子在金属负极表面均匀沉积的目的。经过电化学实验、第一性原理计算和有限元分析方法证明玻璃纤维隔层可实现锂离子的均匀分布,抑制枝晶生长,获得高安全性和长寿命的锂金属负极。

该工作表明,负极表面极性改性提供了一个高效的解决锂金属负极枝晶生长的思路,从而提高锂金属电池的安全性、利用率和循环寿命。相对于传统的调控电解液组分和固态电解质界面膜形貌的方法来抑制枝晶,这种研究方法提供了一个新的研究思路来调控锂离子的沉积行为,不仅将会在锂硫电池和锂空电池中发挥重要作用,还具有在钠金属电池和镁金属电池、锌金属电池等其他金属电池中发挥重要作用的潜力。

相关结果发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201506124)上,文中图片也被杂志选为首封面。该文的第一作者是清华大学化工系博士生程新兵。

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