Small:高界面能和亲锂双界面层构筑稳定锂金属负极

随着对可充电便携式设备、电动汽车和大规模电网储能的需求不断增加,人们对高能量密度的锂电池进行了深入研究。 锂 (Li) 金属被认为是下一代高能量密度电池的理想负极材料,具有极高的理论容量(3860 mA h g-1)和低电极电势(-3.04 V vs 标准氢电极)。然而,锂金属负极的发展受到锂枝晶生长和锂沉积/剥离的低库仑效率(CE)的阻碍,这会导致安全隐患和短的循环寿命。因此,解决锂金属负极的根本挑战实现锂金属电池的实际应用迫在眉睫。固体电解质界面膜(SEI)在抑制锂枝晶生长和增强锂沉积/剥离 CE 方面起着重要作用。然而,稳定的 SEI 膜的形成受到不可控结构、特性和功能的困扰。人工SEI膜和锂保护层的制备可以以高度可控和可调的方式调节SEI纳米结构和界面特性。这些人工保护层通常由有机或无机物质制成。由有机物质制备的 SEI 膜由于具有高柔韧性,可以适应锂沉积/剥离过程中的体积变化,但与锂金属的界面能低,机械强度和锂离子电导率差。由无机物质(如 LiF、Li3N、Li2O)组成的人工 SEI 膜表现出高 SEI/Li 界面能、高机械硬度和锂离子电导率,以及无机晶粒在无机SEI层中均匀分布,有利于均匀的锂沉积。然而,这些无机层由于其刚性和脆性在连续沉积/剥离过程后容易破裂,从而失去对锂金属负极的长期有效保护。因此,迫切需要合理设计具有可控结构、特性和功能的 SEI 膜。理想的 SEI 膜应具有有序的纳米结构以及多功能有机层和无机层的有效组合,以实现高 SEI/Li 界面能、快速且均匀的锂离子传输以及优异的机械性能,这对实现稳定的锂金属负极是至关重要的。

山东大学李国兴教授课题组开发了一种使用有机氟化试剂作为功能性 SEI 前驱体的有序富 LiF 和亲锂杂化双界面层LiF-HJI(具有下层结晶 LiF 和上层有机硫锂化合物结构),为锂金属表面提供高界面能和强锂离子亲和力,允许均匀的锂离子分布、快速且均匀的锂离子传输以及优异的机械和钝化特性。这层界面层使得锂金属负极即使在高的沉积容量 (6 mA h cm−2)、电流密度 (10 mA cm−2) 和倍率 (5 C)条件下仍然可以实现稳定的循环。同时,LiF-HJI 包覆的锂金属对潮湿空气(≈50% 相对湿度)表现出很高的耐腐蚀性,在未来的工业生产中显示出广阔的前景。由于 LiF-HJI@Li 的独特特性,具有商业级面容量(≈4.2 mA h cm−2)的 LiF-HJI@Li||NCM811 全电池表现出优异的循环稳定性和容量保持率,以及显著提高的CE,即使在 3 g/Ah 的贫电解质条件下,100 次循环后仍可保持 80% 的容量,进一步为推动高性能锂金属电池的商业开发提供了可能性。该方法不仅对锂金属电池有重大贡献,而且还可应用于面临不稳定界面问题的如硅负极、高镍正极和固态电解质等其他领域。

[作者简介]

李国兴,山东大学前沿交叉科学青岛研究院教授,博士生导师,国家高层次人才青年项目入选者,山东大学杰出中青年学者,泰山学者。博士毕业于中国科学院化学研究所,随后分别在美国亚利桑那大学、宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作。研究方向主要集中于电化学储能材料及设备、新型碳材料合成制备等领域,近年来已在Nature Energy,Nature Communications,Advanced Energy Materials, ACS Nano, ACS Energy Letters等国际主流学术期刊发表多篇研究论文,其成果多次被Materials Today, NPG Asia Materials, NanoTech, Nature China等权威杂志作专题评述,并受到多家媒体及门户网站报道,包括Science Daily, Nanowerk, Nanotechnology Now, Phys.org等。

论文信息:

High Interfacial-Energy and Lithiophilic Janus Interphase Enables Stable Lithium Metal Anodes

Guoxing Li,* Shipeng Liu, Zhe Liu, Yingjie Zhao

Small

DOI: 10.1002/smll.202102196

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202102196