稳定的人工固态电解质界面膜用于金属锂保护

发展高比能量密度的先进能源存储器件是新能源领域面临的重大挑战之一。然而,现有的锂离子二次电池并不能满足先进能源存储器件对高比能量的要求。由于金属锂具有高的比容量(3860 mA h g1)和最低的电位(-3.04 V vs 标准氢电位),以金属锂作为负极的金属锂二次电池具有比能量密度大、工作电压高等特点。因此,金属锂二次电池成为当今高能量密度二次电池研究的焦点。制约金属锂电池实际应用的主要问题是金属锂与电解液的副反应、及锂不均匀沉积和溶解带来的锂枝晶问题。

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中国科学院化学研究所郭玉国研究员课题组在金属锂负极方面取得重要进展。该团队开创性地设计了一种人工固态电解质界面(SEI)膜,有效地减少了金属锂与电解液间的副反应,很好地抑制了锂枝晶的生长。该团队对金属锂电池进行了深入细致的研究,并发现在SEI膜形成过程中,未修饰的金属锂表面钝化膜会与电解液反应,从而造成金属锂表面的不平整,加速了锂的不均匀沉积及锂枝晶的产生。另外,金属锂电池在循环过程中,SEI膜不断的破裂和生成,从而持续地消耗金属锂和电解液,最终导致金属锂电池的失效。因此,去除金属锂表面不稳定的钝化膜,并构建能稳定存在的SEI膜是解决金属锂负极问题的有效方法之一。该团队巧妙地设计了一种原位处理技术,既实现了将金属锂表面的钝化膜除去,又同时形成了一层致密的磷酸锂SEI膜。利用原子力显微镜发现这层纳米级的致密人工SEI膜具有高的杨氏模量(10-11 GPa)和平整的表面。将带具有该人工SEI膜的金属锂负极和LiFePO4正极组成的金属锂电池进行测试,发现这层人工磷酸锂SEI膜在充放电过程中能够稳定地存在,并且在长循环过程中都能够有效减少电解液与金属锂间的反应、降低锂片的腐蚀消耗、有效抑制锂枝晶的生长,从而提高了金属锂电池的循环性能。该团队还发现这种人工SEI膜同样能够有效提高锂硫电池的循环性能。

这种稳定人工SEI膜的设计理念及原位处理方法为解决金属锂负极问题提供了一种新的思路,对金属锂电池的发展具有重要意义。

相关工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201504526)上。