让锂离子“跑”快点:二维多孔渗漏膜驱动电动效应改变锂离子传导,实现稳定电池锂金属负极

锂金属电池由于其能量密度高,成本低而成为下一代新型高能量密度电池的首选。但锂金属电池的实际应用受到锂金属负极稳定性的制约。在电池循环中,锂枝晶的生长不仅降低电池循环中的库伦效率,也带来了众多安全问题,大大限制了锂金属电池的实际应用。因此如何抑制锂枝晶生长并提高库伦效率成为锂金属电池领域急需解决的问题。

鉴于此,美国宾夕法尼亚州立大学王东海教授和李国兴博士首次设计开发了一种二维多孔亲锂离子渗漏膜,并将其用作锂金属保护膜,利用多孔渗漏膜独特的性质来驱动电动效应,从而改变锂离子在电解液中的传输方式,大大提高了锂离子传输速度,实现了锂金属在高电流密度、高沉积容量、高倍率等苛刻条件下的均匀沉积,并大大提高了电池循环中的库伦效率。在全电池中配以高面容量正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM-811)(≈4.2 mAh cm−2),电池循环稳定性优异,即使在少量电解液条件下,全电池性能仍得到显著提升。

该研究利用聚乙烯亚胺和异氰酸酯的缩聚反应制备渗漏膜,首先将前驱体简便涂布于锂金属表面,然后通过前驱体间的原位交联反应得到二维多孔渗漏膜。由于该多孔渗漏膜强的亲锂离子特性,电解液中锂离子首先富集于渗漏膜孔壁表面从而促使双电层的形成,在外加电场的作用下,表面传导会在渗漏膜中产生,此电动现象会加速锂离子的传导,使其快速到达电极表面,从而让电极表面时刻保持锂离子富集状态,大大降低了电池循环中锂离子浓度极化。同时还和宾西法尼亚州立大学Long-Qing Chen教授课题组合作,通过模拟在理论上进一步证实了二维多孔渗漏膜中的电动效应对锂离子传输及锂离子浓度极化的影响。在此特性作用下,锂金属可以实现在高电流密度、高沉积容量、高倍率等苛刻条件下的均匀沉积,并且电池循环的库伦效率也得到显著提高。实验结果表明,在碳酸酯类电解液中,锂金属可以在高电流密度(40 mA cm-2)、高沉积容量(6 mAh cm-2)、高倍率(10 C)实现均匀沉积。在高电流密度和高沉积容量的条件下,电池循环库伦效率也得到显著提高。在全电池中,配以高面容量正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM-811)(≈4.2 mAh cm−2)或磷酸铁锂(≈3.8 mAh cm−2)可实现长周数稳定循环,这也充分证明了锂金属负极的超高稳定性。即使在少量电解液条件下(5 µl/mAh和3 µl/mAh),全电池性能也得到显著提升。

该工作创新性的利用二维多孔渗漏膜将电动效应应用到锂金属电池中,为锂金属的均匀沉积提供了新的方法和思路。同时该方法制备方法简便,成本低,为电动效应实现稳定锂金属负极的实际应用打下了基础。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201900704)上。该文的第一作者为美国宾夕法尼亚州立大学李国兴博士和刘哲,通讯作者为美国宾夕法尼亚州立大学王东海教授和Long-Qing Chen教授。

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