三维多孔铜集流体/金属锂复合负极用于稳定锂金属电池

如今便携电子设备、电动汽车、大型电网等对于电池能量密度的需求越来越高,然而当前采用的锂离子电池,以石墨为基础的负极材料经过近些年的发展,已接近其理论能量密度极限,难以进一步提高电池能量密度。由于金属锂作为负极具有极高的理论比容量(3860 mA h g–1)和最低的还原电势(3.040 V vs. 标准氢电极),被认为是较有前景的下一代负极材料。

目前限制锂金属二次电池应用的主要问题是枝晶生长引发的电池安全问题及电循环的不稳定性问题。一方面,枝晶的生长会导致电池内阻增加、短路甚至爆炸等安全问题; 另一方面,枝晶的生长不断破坏固态电解质界面膜(SEI),导致副反应增加,更多活性物质被不可逆的消耗,因此造成活性材料的利用率较差、循环效率及容量保持率低下。另外锂金属负极在循环过程中存在电极体积变化,容易引发材料内部压力变化和界面波动等问题。如何抑制枝晶的生长,减少锂负极的体积变化是实现包括锂硫电池、锂空电池等高能量密度锂金属电池应用的关键。

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近日,浙江大学陆盈盈课题组,通过对锂负极和集流体的合理设计,利用机械压力把多孔铜网集流体嵌入锂金属中,形成一个3D Cu/Li复合电极的结构,来稳定锂金属负极。由于这种新型集流体的多孔性质,锂金属负极表面会成为高比表面积的三维结构,这有利于电化学反应的动力学, 降低界面阻力。这种复合结构同时会降低局部电流密度,有利于降低枝晶生长速度,也有利于调控表面电荷分布, 使锂离子的沉积更加均匀。另外集流体的多孔结构可以为再沉积的锂提供了一个“笼子”,抑制了锂负极相对无限的体积膨胀,这有利于减少内部的压力和界面波动, 稳定隔膜的机械强度。测试结果表明这种复合电极在循环过程中实现了均匀的锂离子沉积、优异的循环稳定性、高安全性和长寿命。

该工作研究结果不仅为锂金属负极的实际应用提供了简单、高效的策略,对于其他金属电池的研究,如钠电池、镁电池也具有借鉴意义。相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201606422)。

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