Advanced Functional Materials:周期导电结构实现大循环容量下锂金属“自纠错”稳定演变

锂金属负极因具有高的理论容量和低的还原电位,被认为是下一代高能量密度锂基电化学电池中不可或缺的一环。然而,锂金属负极走向应用还面临着不可控枝晶生长、不稳定SEI膜形成和大的体积变化等重要挑战。在锂金属反复沉积/剥离过程中,受到复杂的、分布不均匀的多物理场(浓度场、电场、应力场和温度场等)因素影响,电极内部会不可避免出现电化学反应“热点”,诱导锂金属在这些“热点”处优先沉积;长时间服役过程中,不同步沉积的锂金属会逐渐演变成枝晶,造成电池库伦效率低、循环寿命短等问题。当电池在高电流密度和高容量条件下循环时,这一问题会变得更加严重。因而,若锂金属负极通过自身结构设计能实现对锂枝晶生长进行修复(即“自纠错”)功能,则有望极大地提升电池的安全性和电化学稳定性。

 针对以上问题,清华大学深圳国际研究生院杨诚老师团队提出一种由导电薄层/介电薄层交替堆叠而成的周期骨架与锂金属复合而成的功能负极,结合电场理论模拟和实验观测,展示了该功能负极具有“自修复”的功能。相较于纯导电结构而言,该周期导电结构能够实现锂金属“自下而上”的生长模式,避免了大容量循环条件下锂金属在骨架表面紊乱生长的问题;相较于纯介电骨架结构而言,该周期结构中的导电层能够提供更多的电化学活性位点,进而提升电极的倍率特性。更为重要地是,即使出现锂枝晶在介电薄层(或导电薄层)失控生长的情况,当枝晶生长接触到上部周期层中的导电薄层时,由于导电层具有等电位特性,可使得枝晶顶部集中的电场(Tip effect)得到分散而均匀化,进而自动遏制其进一步恶化生长,即表现为“自纠错”效应。基于该周期骨架构筑的复合锂金属负极,在5 mA h cm−2(50% DOD)和5 mA cm−2条件下能够稳定循环超过800圈,累积循环容量高达4000 mAh cm−2

与传统试图一开始就抑制枝晶生长等工作不同的是,该研究从“纠正”已出现的枝晶生长的角度出发,对锂金属的生长管理提出了新的认识,为实现高安全性、高稳定性金属负极及电池提供了新的设计思路。相关工作近期发表于Advanced Functional Materials杂志上(DOI: 10.1002/adfm.201910532)。