Small Methods: 分子层沉积技术制备强健的锂金属保护层

在过去的二十年里,锂离子电池由于其高能量密度,无记忆效应及极小自放电现象成为了最成功的储能器件之一,被广泛的应用于便携型电子设备以及电动汽车中。然而,随着人们日益增长的需求,现有的锂离子电池已经难以满足人们对更高容量,长寿命电池的需要。锂金属电池,包括锂硫电池,锂空气电池,全固态锂电池,作为下一代电池的有力竞争者,受到了越来越广泛的关注。其中,锂金属被认为是最理想的负极材料,其具有比容量极高,电势低及质量轻等优势。然而,在反复的电化学沉积过程中,锂金属表面极易产生枝晶,枝晶可能进一步刺穿隔膜,造成电池短路,引发安全问题。其次,金属锂会与液态电解液发生副反应,形成不稳定的固液电解质界面层(SEI),从而加剧枝晶的生长以及形成死锂层,降低电池的库伦效率和寿命。因此,制备稳定的人工SEI层被认为是减少副反应,减缓枝晶生长,提高金属锂负极性能的关键因素之一。

加拿大西安大略大学孙学良院士团队和美国通用汽车Mei Cai博士团队合作,利用先进的分子层沉积技术(MLD)制备了新型铝基有机无机复合薄膜(alucone)作为锂金属负极的保护层。通过控制MLD的参数,alucone保护层的厚度可以被精确控制到纳米尺度。结果表明,alucone保护层可以有效地抑制锂枝晶的生长,提高锂金属负极的循环寿命。同时,此种alucone保护层在醚基电解液(LiTFSI/DOL-DME)及酯基电解液(LiFP6/EC-DEC-DMC)都可以有效地提高循环稳定性。另外,同原子层沉积薄膜(ALD)Al2O3相比,alucone薄膜由于具有更高的韧性从而显示出更优异的保护性能。通过卢瑟福背散射技术(RBS)对循环后锂金属表面进行分析,结果表明,alucone薄膜在循环后仍然能够保持与循环前类似的连续型薄膜结构,然而,Al2O3层在循环过程中会发生断裂,无法保持薄膜结构。这可以被认为是alucone薄膜性能优于Al2O3薄膜的重要原因。

本工作发表在Wiley旗下期刊Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201700417),第一作者为加拿大西安大略大学的博士研究生赵阳。

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