Small:隔膜表面亲锂碳通道调控锂沉积行为

锂金属具有超高的理论比容量(3860 mAh g-1)和最负的氧化还原电位(-3.04 V),被认为是极具潜力的高比能电池负极材料。然而,锂金属的活性高,容易与电解液反应在其表面形成组分复杂且不稳定的固体电解质界面膜(SEI)。在锂沉积/剥离过程中,SEI膜容易发生破裂,引发锂的不均匀沉积和枝晶的生长。这一过程不仅消耗电解液和负极活性物质,还会造成电池内短路和安全问题,严重制约了锂金属负极在电化学储能领域的应用。

近日,北京理工大学陈人杰教授赵腾副研究员课题组,在隔膜上设计了亲锂的碳纳米通道来调控锂的沉积行为。该碳纳米通道由碳纳米片上的立方腔构成,碳纳米片具有较大的比表面积和良好的电解液润湿性,能有效降低局部电流密度;改性隔膜相比于空白隔膜具有更高的杨氏模量,可以机械地抑制锂枝晶的生长;在电化学过程中锂化的碳纳米片更加亲锂,有利于锂的均匀沉积并降低锂的形核过电势。基于亲锂碳纳米通道修饰隔膜的锂对称电池在2 mAh cm-2容量,6 mA cm-2电流密度下稳定循环超过2600 h,锂铜电池在2 mAh cm-2容量,2 mA cm-2电流密度下平均库仑效率达到98.5%。隔膜表面亲锂碳通道设计为实现稳定的锂金属电池提供新途径。

上述研究工作获得国家自然科学基金(51772030, 51972030)、北京理工大学青年教师学术启动计划等项目的资助。

通讯作者简介:

赵腾:北京理工大学材料学院副研究员。2011年和2014年于北京理工大学化工与环境学院获得学士和硕士学位,2018年于剑桥大学材料科学与冶金系获得博士学位;2019年加入北京理工大学材料学院。围绕高比能锂电池多维导电正极材料、功能化隔膜/夹层及稳定金属锂负极开展相关研究。2014-2018年获剑桥大学三一学院 Krishnan-Ang 全额奖学金;2017年获剑桥应用研究协会 CSAR 奖;2020-2021年获省部级科学技术一等奖2项。

陈人杰:北京理工大学材料学院教授、博导。现任国家部委能源专业组委员,中国材料研究学会理事(能源转换及存储材料分会秘书长)、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、国际电化学能源科学院(IAOEES)理事等。主要从事新型二次电池及关键能源材料的研究,开展多电子高比能二次电池新体系及关键材料、新型离子液体及功能复合电解质材料、特种电源用新型薄膜材料与结构器件、绿色二次电池资源化再生等方面的教学和科研工作。入选教育部长江学者特聘教授、北京高等学校卓越青年科学家、中国工程前沿杰出青年学者和英国皇家化学学会会士、科睿唯安“全球高被引科学家”。

论文信息

A Designed Lithiophilic Carbon Channel on Separator to Regulate Lithium Deposition Behavior

Sainan Xu, Teng Zhao*, Yusheng Ye, Tianyu Yang, Rui Luo, Li Li, Feng Wu, Renjie Chen*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104390

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104390