PDMS薄膜:稳定有效的金属锂负极保护层

随着移动电子设备以及电动汽车的快速发展,研究并开发更高性能的锂电池材料显得尤为关键。金属锂拥有相当高的理论容量(3860 mAh/g),这相当于是现在商业化的锂离子电池石墨负极的十倍,同时具有很低的密度(0.59 g/cm3)和最低的电化学反应电位 (相对标准氢电位−3.040 V),这些良好的特性使得金属锂负极成为极具前景的锂电池负极材料。然而,由于金属锂负极在电池循环过程中不均匀的沉积和剥离,会导致大量锂枝晶的生成,带来极大的安全隐患;此外金属锂负极在循环中与电解液的副反应生成固态电解质界面(SEI),在循环中由于金属锂体积的无规则的巨大变化,导致SEI膜不断的破裂与再生,从而消耗了大量的金属锂与电解液,降低了电池效率,缩短了循环寿命等这些问题成为了金属锂电池商业化道路上的巨大屏障。

针对这些问题,很多研究组提出了各种纳米结构的保护层来提高金属锂的循环性能,经实验证明其中一些保护层确实有效地抑制了枝晶锂的生长且提高了其电化学性能,但是这些纳米结构的复杂合成工艺使得控制难度大,规模化生产成本过高;一些保护层所使用的材料还具有较高化学活性,难以与不断发展的新型电解液匹配使用。

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基于此,南京大学朱嘉教授课题组首次提出了以廉价常见的聚二甲基硅氧烷(PDMS)为原料,通过简便的旋涂和酸处理工艺制备多孔的PDMS 薄膜用于保护金属锂负极。这一基于PDMS薄膜的保护层具有几个特点。 因为PDMS本身并不是一种锂离子导体,所以通过酸处理得到的纳米孔洞给锂离子提供了通道;同时PDMS导电性很差,所以锂并不会沉积在其表面,而是沉积在PDMS薄膜的下面,这样PDMS就可以很好地充当保护层作用,抑制锂枝晶的生长;此外由于PDMS的弹性模量很高,使得其在锂循环过程中不容易被破坏,提高了循环寿命;最后PDMS具有极好的化学惰性,与各种电解液都不发生副反应,使得其可以与多种电解液兼容使用。通过半电池电化学循环的测试,结果表明PDMS保护后的电极在普通的锂离子电池电解液中, 经过200次的循环库仑效率一直稳定在95%左右,相对于此前报道的同种条件下的测试结果有~10%的效率提升;而使用新型的电解液,效率可以稳定高至98.5%;此外在以磷酸铁锂为正极的全电池测试中,经过100圈的循环后磷酸铁锂的容量仍然保持在140 mAh/g 以上,库伦效率维持在99.8%左右。

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该工作提出了一种工艺简单、具有成本优势的提高锂负极性能的新方案,同时该保护层可以与不断发展的新型电解液匹配使用,为未来更高性能的锂电池体系发展提供了更多可能。相关论文发表在Advanced Materials(10.1002/adma.201603755)。