Small Methods: 生物质材料助力高导热高离子可及性的三维锂金属负极

锂离子电池是应用最广泛最成熟的储能设备,但现有的储能性能已趋于极限。随着电动汽车的兴起以及大规模储能的发展,人们对于高能量密度、高安全性以及长寿命电池的需求日益增长。锂金属由于其超高的比容量、低电势和质量轻等优势,以及可以匹配高容量的正极材料如硫和氧气,被认为是可充电式锂电池负极材料的终极选择。但锂金属负极在充放电过程中,表面极易产生枝晶,除了不断的消耗电解液造成不可逆的容量损失,可能会进一步刺穿电池隔膜造成电池短路,进而引发由于热失控导致的安全问题,这极大的阻碍了锂金属电池的发展。

近日,美国东北大学祝红丽课题组利用磺化木质素——一种来自于树木,在自然界中储量丰富,但很少被利用的生物质材料,成功的剥离了具有高导热性能的氮化硼,并通过冷冻成型的方法制备了一种三维的,层状,多孔框架来稳定锂金属负极。这种层状多孔结构,极大的提高了锂金属与电解液中的锂离子的接触面积,降低了电极中的局部电流密度,扩大的微米级的层间距可以缓冲锂金属沉积、溶解过程中的体积变化,更重要的是,剥离后的氮化硼薄片有效的提高了框架的导热性能,更均匀的热分布进而促进了锂离子的均匀沉积和剥离,形成稳定的 SEI, 有效的抑制了锂枝晶的生长。电池循环测试结果显示,在高电流密度下, 和没有结构改进的锂金属片相比,高导热高离子可及性的三维锂金属负极电池的循环寿命跟稳定性都得到了极大的提高,经过1800次循环测试后,容量保持率高达92%。这种从价格低廉,储量丰富,又天然绿色的生物质材料出发,通过引入高导热材料来调控锂金属负极的导热性,进而稳定锂金属的思路,将为锂金属电池的发展提供新的思路。相关论文在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800539) 上,博士生曹大显为论文第一作者,祝红丽为通讯作者。

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