Advanced Functional Materials:基于交联MXene锂负极实现在大电流密度及容量下3000h稳定循环

金属锂具有极高的理论比容量(3860 mAh g–1)和低氧化还原电位(−3.04 V vs. 标准氢电极),因此被认为是理想的锂负极材料。但从电池实际应用的角度来看,金属锂负极需要在倍率,比容量和充电放电稳定性方面进行重大改善。一方面,需要锂负极的面容量大于10 mAh cm-2,以期实现电池的能量密度能达到500 Wh kg-1;另一方面,下一代电池应用需要锂负极在大于10 mA cm-2的电流密度下实现快速充放电。然而,锂金属在充放电循环过程中容易产生不可控的枝晶生长,电极体积膨胀,以及固态电解质界面膜的不稳定等问题,造成的安全性和循环性问题而受限。而这些问题在大电流密度、大容量充放条件下会更加严重,极大地影响电池循环稳定性和使用寿命。

南开大学梁嘉杰教授课题组首次通过聚合物共价交联的方法改善基于MXene三维骨架的机械强度和韧性,制备具有优异导电性,亲锂性,及机械稳定性的金属锂载体,用于沉积金属锂制备锂负极材料。具体通过MXene纳米片和聚硅氧烷进行硅烷化反应,形成共价交联的MXene/银纳米线三维骨架。相较于对比样(无交联的MXene骨架),共价交联后的MXene骨架显示出优异的机械强度和韧性,有利于缓解在快速和深度锂沉积/剥离过程中产生的巨大内部应力变化冲击,确保在长期的充放电循环中三维骨架载体的结构完整性。金属锂负极在对称电池中,在10 mAh cm-2容量及20 mA cm-2的电流密度下稳定充放电循环3000周(3000小时)以上。相关工作发表于Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202008044)上。

本工作的策略着重于优化锂金属骨架的机械稳定性,从而显著提高锂金属负极的循环寿命。通过弱范德华力组合形成的具有导电性和亲锂性的MXene/AgNW骨架会在锂沉积/剥离的循环过程中由于承受不住巨大的应力变化而导致骨架坍塌。相反,本工作通过与聚硅氧烷的硅化反应引入共价交联,显著提高了骨架的机械强度和韧性,有利于在长循环过程中保持骨架的结构完整。因此,本工作制备的锂金属复合负极在超高电流密度和超高面容量下表现出极佳的可逆性,使得高性能锂金属电池的实际化应用成为可能。