Advanced Energy Materials:具有仿生单离子通道的坚实耐用人工SEI膜用于高容量锂金属负极

随着便携式电子设备、电动汽车和智能电网的日益普及,人们迫切需要使用寿命更长、能量密度更高的先进储能电池。金属锂由于其高理论容量(3860 mAh g-1)和低电化学电位(-3.04 V vs 标准氢电极),被认为是下一代电池技术最理想的候选材料之一。然而,目前锂金属负极的应用存在几个明显的问题:i)锂金属的电沉积过程在热力学上倾向生成枝晶状锂,同时其表面分布不均的电场加剧了锂离子的非均匀沉积和锂枝晶的无序生长;ii)不可控的锂枝晶容易刺穿隔膜,造成电池内部短路引发安全问题;iii)锂金属负极循环过程中会发生巨大的体积变化,使得SEI膜无法稳定覆盖其表面,导致SEI膜要持续形成、电解液被不断消耗,从而降低电池的库伦效率和循环寿命。这些严重阻碍了锂金属电池(包括全固态锂金属、锂硫和锂空电池等)的产业化应用。

针对上述问题,华东理工大学李永生团队与石河子大学代斌团队、南昌大学孙福根团队受生物真核细胞膜K+/Na+离子通道的启发,通过将ClO4修饰的UiO-66(UiO-66-ClO4)和柔性锂化的Nafion粘合剂(Li-Nafion)整合在锂金属负极表面,构筑了一种新颖的具有高稳定性和仿生离子通道的人工SEI膜,以抑制锂枝晶的不均匀沉积和生长,实现高容量、高稳定的锂金属负极。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202003496)上。

高电负性和亲锂性的ClO4基团被化学固定在UiO-66孔道的开放金属位点上,由于其狭窄孔径和静电排斥作用,可以阻碍电解液中的阴离子穿透人工SEI膜,从而抑制锂金属与电解液的副反应发生。同时,UiO-66-ClO4的亲锂离子通道可以优先吸附去溶剂化的锂离子,保证低活化能的单离子快速传输,从而有效地调节锂的均匀沉积。此外,在具有弹性的Li-Nafion粘结剂的辅助下,在锂金属负极表面制备的人工SEI膜(UCLN)具有良好的机械强度,能够承受较大的体积膨胀,保证了锂金属负极在循环过程中的整体稳定性。因此,受UCLN复合膜保护的锂金属负极(Li@UCLN)在超高电流密度(20 mA cm-2)和深度剥离/沉积容量(30 mAh cm-2)下表现出优异的循环性能。更重要的是, 采用Li@UCLN负极的全电池即使在恶劣条件下仍具有较高的比容量和循环稳定性,进一步证明了仿生人工SEI膜在高能量密度锂金属电池中的应用潜力。