Advanced Functional Materials:自调节诱导沉积海藻状金属锂负极改善锂金属电池的循环稳定性

随着智能手机、电动汽车等产业的高速发展,人们对兼具高能量密度、高安全性的二次储能电池的需求日益增长。在各类电池材料体系中,金属锂具有高理论容量(3860mAh g–1)、低氧化还原电势(–3.04V vs. 标准氢电极)、低密度(0.59 g cm–3)等优势,有着巨大的应用前景,成为近年来储能研究领域的前沿热点课题。然而,金属锂负极在充放电过程中,容易与电解液发生各种副反应形成不稳定的固体电解质界面膜(SEI)并伴随电极界面锂的不规则沉积导致形成针状或树枝状的锂枝晶。锂枝晶的形成和生长会给电池体系带来不可逆的容量损失,甚至可能会穿过隔膜而导致电池正负极内部短路引起过热、自燃等安全隐患。如何更好的调控金属锂在电化学沉积界面的成核以及沉积行为、抑制电化学反应过程中锂枝晶生长是实现金属锂负极在高能量密度二次电池,包括锂金属固态电池、锂硫电池、锂空电池能否实现实际应用的关键。

近日,中科院青岛能源所黄长水教授团队报道了一种通过诱导沉积的方法直接在集流体表面实现亲锂活性位点的精准构筑从而可控制备薄层海藻草金属锂负极以提高锂金属电池循环稳定性。通过将具有较大电负性和亲锂作用的含硫噻吩官能团与炔键相连,可以实现噻吩炔表面的锂的均相成核区域并调节锂金属的均匀成核和生长,并形成由单个金属锂棒形成的海藻状金属锂薄层。研究结果表明,制备的海藻状金属锂与铜箔上直接沉积的块状金属锂相比,体现出较低的成核过电势与界面阻抗。同时在对称金属锂电池中表现出优异的循环稳定性,这说明海藻状金属锂更适合维持长时间循环过程中的电镀剥离稳定性。由海藻状锂金属负极和Li4Ti5O12作为正极组装的全电池在1000多个循环中具有优异的容量保持率。通过理论计算明确了噻吩炔中均匀分布的硫原子与炔键形成的协同效应增强锂与成核活性位点之间的相互作用,优化整个碳骨架区对于锂的均匀吸附能力,实现噻吩炔界面亲锂活性位点的精准构筑。同时利用硫原子调控电荷在锂与噻吩炔界面的转移与传输性能,均匀的分散沉积界面的电流密度,降低锂的成核过电势从而诱导锂均匀成核。通过原位测试对金属锂沉积过程中的形貌以及基于炔键强度的变化进行了分析,进一步证实了海藻状金属锂的自调节形成过程。引入的活性乙炔键和噻吩单元组成的超薄的噻吩炔层通过与电解液相互作用形成更加致密的SEI膜,均匀分布的成核活性点位促进了金属锂在沉积界面的均匀多点形核和沉积,并调控了锂的沉积行为,从而获得了独特的海藻状金属锂负极。

研究者相信,此项研究为制备具有特定形貌的薄层锂金属负极提供了一种简便而可控的策略。同时,这项工作将有助于加深对金属锂沉积机理的认识,通过沉积界面性质的调控进一步优化锂金属的成核和沉积行为为金属锂负极的高效安全应用问题提供新的研究思路,并有望进一步推动金属锂负极在高能密度电池中的应用。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.202009917)上。