“死灰复燃”的锂金属研究能否“星火燎原”:用能量转换的角度揭开锂枝晶的面纱

早在20世纪六七十年代,科学家就尝试了用金属锂作为电池负极的材料。但是,锂枝晶严重制约了锂金属电池的安全问题。之后几十年的研究,人们不得不将目光投入到插层化合物电极材料的开发上,这也促使Sony公司开启了锂离子电池时代。然而,锂作为电池领域中最具期待的负极,拥有最低的化学电位,最高的理论容量。因而对其安全性能的研究一直是高比能量电池体系的一个“珠峰”。近期,由于锂硫,锂空体系的研究热潮,锂金属负极的保护成为了复兴的研究热点。

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锂枝晶产生机理示意图

正如古代先贤所说的:“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”。近期,吉林大学郑伟涛课题组能源表面界面研究小组博士生王东在张伟教授郑伟涛教授、以及清华大学张强教授的指导下,针对锂金属负极的研究历史及锂枝晶的模型理解进行深入研究。报道了一种对锂枝晶认知的新切入角度,同时提出了一种关于表面能调控抑制锂枝晶的新路线。不同于目前常见的相场模型、沉积-溶解模型、电荷介入沉积模型、SEI膜模型等,该模型将锂枝晶现象理解成在充放电过程中,部分电能转化为表面能使锂金属表面逐渐粗糙化的过程。采用薄膜生长的形核机理类比锂枝晶产生的趋势:在电场作用下,锂基底表面由于富含负电荷,使基地表面能发生了偏移(沉积物质与基底的表面能差负向偏移),进而导致锂金属薄膜生长偏向于岛状生长(枝晶)。因此,一方面,SEI膜在热力学稳定下要关注动力学的均匀性;另一方面,也要充分考虑基底的抑制锂枝晶的热力学因素。制备具有连续的高表面能的沉积界面是未来提升金属锂安全的可行方向。相关论文在线发表在Adv. Sci.DOI: 10.1002/advs.201600168。

相关工作也得到了国家自然科学基金和吉林大学学术带头人启动基金的资助。