Advanced Materials: 基于超填充机制下的无枝晶锂沉积

锂金属被认为是下一代可充锂二次电池中最有希望的负极材料,其具有超高理论比容量3860 mAh g-1,和最低的电极电位-3.04 V,既可以被应用于锂空气、锂硫等下一代高能量密度储能体系中,也可以与现有的正极材料配对,从而大幅度提升现有二次电池能量密度。然而,金属锂在充放电循环中沉积不均匀,表面易产生树枝状的“毛刺”结构也即锂枝晶,此过程不仅大量消耗锂造成容量大幅度衰减,更为严重的是,枝晶可穿透隔膜造成短路,从而引发电池短路起火爆炸等安全性问题。

尽管目前已经报道了很多调控锂沉积和抑制锂枝晶生长的策略,但是大多数都是基于抑制锂沉积的机理,其在高的电流密度、高的锂面容量下,发挥效果有限。大多数已经报导的文献中,其电流密度小于5 mA cm-2,面积容量在0.5-3.0 mAh cm-2。因此,亟待开发出一种基于促进锂沉积的无枝晶锂沉积策略为实际应用。有鉴于此,北京大学化学与分子工程学院周恒辉课题组与北京化工大学刘文、防化院邱景义等合作共同提出了一种基于超填充机制下的无枝晶锂沉积策略。以硫脲为例,硫脲中的硫头基可以有效地吸附在金属锂的表面,促进锂的沉积。同时在COMSOL模拟也可以发现,引入硫脲后,锂的沉积由之前的枝晶状沉积,变为无枝晶状的光滑型沉积,最终,作者提出了超填充的机制模型。这一以促进锂沉积的方式去避免锂枝晶的产生策略,能够实现高倍率条件下稳定的锂金属嵌入和脱出,与正极材料匹配组装全电池,表现出很好的大电流充放电能力和循环稳定性。更加引人注意的是,作者采用已经产生锂枝晶的金属锂电极在有硫脲存在下,进行电化学循环测试。可以发现,经过20周的循环后,金属锂表面的形貌有了极大的改善,枝晶被有效地消除。这种添加剂,成本低廉,有望成为新一代动力电池电解液添加剂的有力候选。相关论文在线发表在Advanced Materials 上 (DOI: 10.1002/adma.201903248)。