Advanced Functional Materials:Li2S/Li2Se混合保护层应用于稳定锂金属负极

锂金属由于其高理论比容量和低电极电势等特性被视为最具潜力的可提高电池能量密度的负极材料,然而锂金属电池中枝晶生长等问题严重限制了其实际应用。锂金属表面不稳定的SEI是引发其枝晶生长的主要因素,因此在锂金属表面构筑稳定的高离子电导率保护层是促进锂离子均匀沉积,抑制枝晶生长的一种有效策略。利用高活泼性锂和气体反应是在金属锂表面构筑均匀稳定保护层的一种有效方法,但是金属锂熔点较低(180℃),故而此种方法常受限制于前驱体的沸点。因此探索温和易操作的方法形成高离子电导率的保护层仍然面临着挑战。

中国科学技术大学余彦教授课题组设计一种混合的Li2S/Li2Se (LSSe)的人工保护层应用于稳定锂金属负极。硫化锂已被广泛研究报道作为一种高离子电导率保护层用于抑制锂枝晶的生长。在此硫化锂研究基础上,该工作采用低沸点化合物SeS2 (118℃)作为气体蒸发前驱体,利用简单的低温气固(SeS2 gas/Li)反应方法在金属锂表面获得了均匀的混合Li2S/Li2Se (LSSe)人工保护层。通过第一性原理计算显示Li2Se相对于Li2S在不同的晶向(分别为[100], [110], [111])均具有更低的离子迁移能,表明引入的Li2Se能进一步提高Li2S体系的离子电导率,并且由于化合物硫化硒的沸点比单质硫和单质硒都低很多,故而在制备混合Li2S/Li2Se保护层实验方法上相对于单纯Li2S和Li2Se更为简单。该稳定的LSSe保护层一方面提高表面离子电导率,另一方面钝化锂金属与有机电解液的反应从而促进锂离子的均匀沉积,有效地抑制了其枝晶生长,并且在锂硫电池中能够阻止多硫化锂和金属锂反应从而减少了活性硫损失。该混合SEI保护的锂金属(LSSe@Li)对称电池在电流密度1.5mAcm-2,锂脱镀容量3mAh cm-2的条件下实现了900h的无枝晶循环。当该电极应用在LiFePO4全电池中在1C的电流密度下可以达到460圈稳定循环。相比而言,纯锂金属负极在250圈循环后便有明显的容量衰减。LSSe@Li应用于LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2全电池,锂硫全电池中时均取得了更优的循环性能和倍率性能。

该工作提供了一个利用低沸点化合物构建混合离子导电保护层的思路,对锂金属表面无机层修饰研究起到借鉴作用。相关研究成果发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.202001607)。