Advanced Materials:平行排列多孔纳米片对锂离子流的均化作用抑制锂金属负极的枝晶生长

锂金属是高能量密度可充电电池最理想的负极材料,然而在重复的锂金属沉积剥离过程中,不均匀的锂离子流引发锂枝晶的不断生长以及“死”锂的形成,导致短期寿命和安全隐患,从而阻碍锂金属电池的商业化应用。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华课题组针对这一问题提出在锂金属负极表面构建平行排列多孔二维纳米片的策略,并对它的作用进行了深入研究。实验结果表明平行排列的二维多孔结构在获得快速锂离子迁移的基础上,可同时使电解液和电解液-电极界面相(SEI)的锂离子流重新分布均匀化,有效消除枝晶生长的诱因,实现锂金属负极无枝晶的沉积溶解。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202003920)上。

由于可以提供快速离子迁移通道,最近多孔二维纳米材料在锂离子电池中的应用受到许多关注。该研究团队设计了在锂金属表面平行排列的多孔二维材料,以均匀化电解液和SEI中的锂离子流来达到稳定锂金属负极的作用。由于具有平均分布的孔结构,在SEI层外的层状多孔纳米片可以引导电解液中更均匀的锂离子流分布。而在SEI层中,以多孔MgO纳米片作为实例,与锂金属紧密接触的多孔纳米片会被锂金属锂化形成Li-Mg合金层并填埋在锂与电解液反应形成组成的SEI中,合金层具有极快的锂离子迁移率,可以使进入SEI的锂离子流重新分布。同时,通过控制孔尺寸可以进一步调控孔道中锂离子的浓度分布。而且平行排列的多孔二维材料不仅可以使锂离子流均匀化,也可以获得锂离子在锂金属表面的高速迁移,从而使锂金属负极即使在高电流下也保持很好的稳定性和循环性能。该工作首次揭示了平行排列二维材料中的孔结构对于锂金属负极性能的重要性,为多孔二维材料对锂离子流分布的系统调控打开了新的视野,并对于大电流下保持良好稳定性和循环性的锂金属负极提出了有效策略。