Advanced Functional Materials:调控电化学动力学实现稳定的锂金属负极

锂金属负极因具有超高的理论比容量(3860mAh/g)和极低的电极电位(-3.04V vs. SHE),从而成为实现高能量密度电池的理想候选材料。但是,锂金属负极在充放电过程中锂枝晶生长带来的安全性和稳定性等方面的问题仍然是目前锂金属电池商业化进程中巨大的障碍。

虽然研究人员已经对锂枝晶的生长行为和机理进行了广泛研究,但其生长机制尚未明确,仍旧存在诸多争议。一些研究发现锂金属负极在大电流充放电过程中形成的焦耳热具有枝晶修复的功能,焦耳热导致的温度升高促进锂的表面扩散,使锂枝晶转变为平整的锂沉积形貌;然而也有报道发现高温加剧锂枝晶的生长,因此深入研究锂枝晶生长机制具有重要意义。

中国科学技术大学的焦淑红研究团队通过三种典型电解液体系(醚类、碳酸酯类和高浓电解液)系统地研究了与动力学和热力学相关的温度因素对锂金属负极性能的影响作用。实验数据表明,在三种电解液体系中,锂金属负极在高温(60℃)时的充放电过程都具有远低于低温(-15℃)时的过电位、SEI阻抗和电荷转移阻抗,说明高温时锂负极具有更好的动力学过程。同时,高温促进了电解液与锂金属的反应动力学,使得在非水系电解液中热力学不稳定的锂金属的表面形成更多富有柔韧性和稳定性的有机成分,而低温时无机成分比例则相对较高。因此,高温下,在三种电解液体系中沉积的锂金属都具有块状的沉积形貌,表现出了很好的一致性,远远不同于低温时的枝晶或小颗粒沉积形貌。锂金属沉积形貌的改善极大地提高了锂金属负极的稳定性与可逆性。以1 M LiTFSI 在DOL/DME (1:1, v/v) 电解液组装Li/Cu电池为例, 在60℃时,前100次循环的平均库伦效率高达99.4%,而在-15℃时前几圈的库伦效率就在30%~80%之间大幅度跳动,说明-15℃时锂金属负极的沉积剥离行为极不稳定。全电池测试结果也验证了锂金属电池在高温比低温具有优异的电化学循环性能。

研究者认为,这项研究给出了不同温度下,锂金属负极在不同电解液体系中的普遍规律,并为锂金属生长行为以及锂金属负极性能的提高提供了新的思路。相关论文在线发表在 Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201904629) 上。