Advanced Materials:晶粒粗化效应助力高效锂金属全电池

锂金属负极因其高理论比容量和极低的电化学势被认为是实现未来高比能电池的关键技术,但是低的锂金属沉积/剥离效率被认为是限制实用化锂金属电池的真正瓶颈。比如,在传统的碳酸酯电解液中 (1 M LiPF6 EC/DEC),锂金属的库伦效率通常小于< 70%, 这意味着在每一圈电池循环中大量的锂金属会化学或电化学失活。 低的锂库伦效率会直接导致在实际全电池体系(比如:高载量的NMC811正极匹配超薄锂金属负极)中锂金属活性物质的快速耗尽以及粉化等问题。

浙江大学陆盈盈课题组与上汽集团合作报道了一种增溶剂介导的耐高压碳酸酯电解液,可以实现晶粒粗化的柱状锂金属沉积(> 20 μm宽),与传统碳酸酯电解液中纳米级的锂枝晶形貌形成鲜明对比。该种电解液可以在高面容量情况下(3mAh cm-2)将锂金属负极的库伦效率从< 80%提升至98.14%,这是因为晶粒粗化的柱状锂金属沉积,大晶粒尺寸且小曲折度的锂金属沉积可以在电剥离过程中有效维持体相电子通路,从而有效提高活性锂金属利用率。冷冻电镜证实增溶剂介导碳酸酯电解液可以诱导形成一种富含大量无机结晶颗粒的纳米波状SEI层。锂离子在其SEI中展现了极低的扩散能垒Ea1 (50.59 kJ mol-1),远低于传统碳酸酯电解液中的SEI(87.70kJ mol-1)以及醚类电解液中的SEI(61.08 kJ mol-1),明显提升的SEI层离子电导是锂金属晶粒粗化的重要原因。在超薄锂金属负极 (45 μm厚, ~9 mAh cm-2)和高载量NMC811正极(16.7 mg cm-2, 3.4 mAh cm−2)构成的全电池中, 用增溶剂介导的碳酸酯电解液可以实现12倍循环寿命的提升(200圈)。

这项工作证明了锂沉积的晶粒尺寸和微观结构对锂电镀/剥离效率的重要作用,增溶剂介导的锂沉积粗化为实际高效的锂金属全电池设计提供了一种非常有前景的解决方案。该工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202001740)上。论文第一作者是浙江大学博士生张魏栋。