Advanced Functional Materials:原位转移陶瓷层保护锂金属负极

化石能源的大量使用造成的环境污染问题越来越严重,而其资源日益枯竭,这都促使我们不断地探寻更加清洁的能源,开发更有效的储能系统。锂离子电池由于具有比较高的能量密度,成为应用最为广泛的储能装置,在移动电子产品、电动工具及电动汽车中应用越来越广泛。随着人们对能量密度的需求不断提高,急需开发出具有更高比能量密度的下一代锂离子电池(>300 Wh kg-1),这都需要研究出新型的高比容量的电极材料,包括高比能正极和负极。

锂金属具有最低的化学电势和最高的比容量,是高比能量密度锂离子电池最可能的负极材料之一,但在使用过程中还面临一些急需解决的问题,尤其是循环过程中锂离子在锂金属负极上不均匀沉积形成锂枝晶。锂枝晶会刺穿隔膜,造成电池短路,引发起火爆炸等安全事故。同时,枝晶极易脱落形成“死锂”,此外,新沉积的锂化学反应活性高,会和电解液不断反应而消耗电解液,这些都严重影响循环性能。因此,如何提高锂离子沉积的均匀性,抑制锂枝晶生成是当前保护锂金属负极研究的重要方向。

近期,北京师范大学与北京化工大学研究团队合作,共同提出了一种通过原位反应来转移隔膜涂层保护锂金属负极的方法。该方法利用锂金属与复合隔膜涂层之间的置换反应,促使该涂层与锂金属负极紧密粘结在一起并自发转移至锂金属表面,形成锂金属的保护层。该团队选取锆钛酸铅作为涂层材料,与聚丙烯微孔隔膜形成复合隔膜。研究表明,锆钛酸铅可以被金属锂还原生成金属铅及系列氧化物,进一步金属铅可以与锂形成合金,在二者的共同作用下,涂层与锂金属紧密结合,形成保护层。保护层可以匀化界面电场,促进锂的均匀沉积,有效地抑制枝晶的生成。锂/锂对称电池、锂/铜电池、锂/磷酸铁锂电池长循环进一步表明,具有该保护层的锂电池表现出良好的库伦效率以及循环寿命,循环后锂金属的微观形貌研究表明该涂层显著地减缓了“死锂”的形成。值得一提的是,该方法中保护层通过隔膜涂覆的方法引入,容易实现规模化生产,相比于直接在化学活性高的锂金属表面处理,无需控制水、氧含量,大大降低了成本,具有很好的应用前景。 研究者相信,此方法为解决锂金属电池界面问题及其他面临类似挑战的体系带来了新的视角。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201907020)上。