Angewandte Chemie International Edition:聚合物刷实现锂金属均匀形核及生长

锂金属具有超高的理论比容量(3860 mA h g-1)和极低的电极电位(-3.040 V vs.标准氢电极),有望改变当前的二次电池技术,因而受到了广泛关注。然而,金属锂负极表面在重复的充放电过程中会形成枝晶,枝晶断裂会形成“死锂”,导致电池库伦效率降低,循环性能变差,造成电池内部短路,甚至引发火灾或爆炸,存在很多安全隐患,严重阻碍了其应用发展。从金属电结晶的成核阶段诱导锂的均匀沉积以及从生长阶段标准化锂的沉积对于实现安全稳定的无枝晶的锂金属阳极,以及促进可充电锂金属基电池的实际开发至关重要。

基于以上考虑,西北工业大学材料学院谢科予教授和美国特拉华大学魏秉庆教授合作,利用实验和模拟,发现在商用铜箔表面接枝一层具有亲锂官能团的聚(N-异丙基丙烯酰胺)聚合物刷可以实现锂成核的均匀化和生长的标准化。一方面,亲锂官能团酰胺氧与锂离子产生强烈的相互作用,可以使离子传质均匀化,并从成核阶段开始诱导锂核的均匀分布。另一方面,每个聚合物刷之间的超小空间可以用作锂运输和标准化生长的通道。基于聚合物刷对电沉积锂的均匀化和标准化的协同作用,所获得的平面柱状锂阳极在20mA cm-2的超高电流密度下显示出优异的循环稳定性。

该论文由西北工业大学纳米能源材料研究中心谢科予教授、沈超研究员和美国特拉华大学魏秉庆教授为通讯作者,西北工业大学材料学院博士生李楠和副教授叶谦为共同第一作者,近期以“Normalization Li growth from nucleation stage for dendrite‐free Li metal anodes”为题,在线发表在Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.201911267)上。