高通量计算预测稳定金属锂负极新策略

advs306-gra-0001-m 金属锂负极以其高理论比容量和低电化学电位被认为是最有前景的锂离子电池负极材料,是实现下一代高能量密度锂电池的关键。然而,具有极强还原性的锂金属与绝大多数电解质缺乏兼容性和长期稳的定性。锂金属产生的副反应带来的容量衰减和安全隐患极大地限制了锂金属负极在电池中的应用。数十年来,电池研究领域一直未能有效地解决锂金属电池相关的循环寿命问题。

为了彻底解决金属锂的界面稳定性问题,马里兰大学莫一非教授课题组采用基于量子力学第一性原理的高通量计算,发现并预测了对锂金属具有本征热力学稳定性的材料。通过系统分析大量不同化学组分的化合物对锂金属的稳定性,该研究发现氮化物对锂金属具有本征的热力学稳定性。不同于此前常用的金属锂负极保护材料,如氧化物、硫化物、卤化物,具有本征锂金属稳定性的氮化物才是用于保护锂金属负极的理想材料。这一研究进一步预测了一系列目前尚未被开发的氮化物材料都具备提高金属锂负极稳定性的潜力。

该研究还提出了通过在表面和界面附近掺杂高含量的氮元素来提高锂金属界面稳定性的新策略。氮元素掺杂和添加高氮盐能在金属锂负极和电解质之间形成热力学稳定的固态电解质界面膜(SEI)。SEI膜能有效地阻止与电解质的副反应,并显著提高金属锂负极在长期充放电循环过程中的库伦效率、稳定性、和循环寿命。这一结果为保护金属锂负极的材料选择提供了理论指导和全新的研究方向。研究结果发表在Advanced Science (Adv. Sci. 2017, 1600517, DOI: 10.1002/advs.201600517) 上。

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