Advanced Functional Materials:以“毒”攻“毒”,枝状结构抑制枝晶生长

由于具有超高的理论比容量和较低的电化学电位,锂金属一直被看做是商用锂离子电池负极材料的有力竞争者之一。但是在充放电过程中,锂金属会产生巨大的体积变化,使Li表面脆弱的固体电解质界面(SEI)不断破裂再生,从而造成容量的快速衰减。在此过程中,伴生的锂枝晶会不断生长并最终刺穿隔膜,引起电池短路以及安全问题。大量研究表明,抑制锂枝晶生长的有效方式之一是在锂金属表面引入亲锂性合金,通过减少锂的成核势垒实现锂的均匀沉积。但是,在循环过程中锂金属本身巨大的体积变化仍然会使SEI发生破裂,进而导致循环稳定性逐渐变差。

针对以上问题,复旦大学余学斌教授和夏广林青年研究员团队通过烷基镁和Li的反应在Li表面原位制备了一层在15 μm左右的树枝状LiMg合金层(Li3Mg7@Li)。LiMg合金的亲锂性能诱导Li的均匀沉积和剥离,其枝状结构还能有效地降低局部电流密度,并缓冲电极的体积变化。因此,通过枝状结构LiMg合金层的修饰,锂金属电池的循环稳定性得到了大幅提升。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202009712)上。

研究结果表明,表面的LiMg合金层有着良好的亲锂性,能够有效地降低成核势垒,促进Li的均匀沉积和剥离,抑制锂枝晶生长。其树枝状的结构还能有效地降低局部电流密度和缓冲体积变化,进一步提升电极的循环稳定性。更为重要的是,在循环充放电过程中,LiMg合金中的Mg会自发向锂金属的下方迁移,有利于提高循环过程中LiMg合金在整个电极中的均匀性,从而提升了锂金属电极的深度Li沉积/剥离性能。在对称电池测试中,改性后的锂金属电极在0.5 mA cm-2,1 mA h cm-2条件下能以8 mV的过电位稳定循环2200 h,在1 mA cm-2,10 mA h cm-2条件下能稳定循环900 h。改性后的锂金属电极与S匹配组成的全电池(Li3Mg7@Li//S)在2 C电流密度下可以稳定循环500圈,容量保持率接近80%。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年基金、面上和青年项目以及上海市东方学者等项目的支持。