Advanced Energy Materials:倒置负极结构大幅提升锂金属电池安全性与循环稳定性

研究背景

近年来,具有高能量密度的锂金属电池在便携式电子、电动汽车、可穿戴电子、以及电动机器人等领域展示了极大的应用前景。但是,锂枝晶的生长对电池的循环寿命与安全性造成了很大的挑战。

尽管研究者已采用各种方法来应对锂枝晶对电池性能的影响,如发展固态电解质、人造固体-电解质界面、引入电解液添加剂等,但锂枝晶仍会在多次的充放电循环后出现在负极的表面。

最近的研究已证实,利用三维集流体可有效降低局部电流密度,并能缓解锂金属在充放电过程中的巨大体积变化,这有助于实现锂金属的均匀沉积。然而,在充电过程中,锂金属仍会优先沉积在三维集流体的顶部,这说明因锂枝晶生长而造成的电池安全性问题仍没有得到真正的解决。

研究工作介绍

近日,香港理工大学郑子剑教授与南京邮电大学李东东副教授等人提出了一个简单的倒置结构策略来抑制锂枝晶的过度生长,以显著提高锂金属电池的安全性。

这一结构制备方法非常简单,是将单侧锂化的碳织物结构经过一个简单的翻转(180°),随后用于组装锂金属电池,如此可实现底部为锂金属、顶部为碳织物的三维空间结构(图1)。

1. 倒置结构中的锂沉积过程及其制备方法示意图

这一倒置结构上表面无锂金属存在,而底部的锂金属会提供比上表面更低的锂形核与沉积过电位。锂离子则会在底部更低的过电位趋势下穿过集流体上层而择优沉积于集流体底部(图2)。

此倒置结构具备三个优势:(1)集流体底部的锂金属可诱导自下而上的锂金属沉积过程,从而有效抑制锂枝晶在集流体顶部的生长;(2)底部的锂金属与隔膜之间存在一定的空隙,在电池充放电过程中可起到缓解锂金属体积膨胀的作用;(3)锂金属上层的织物纤维可作为支撑骨架增强固体-电解质界面的稳定性,提高电池的库伦效率。

2. 倒置结构中的锂金属电化学沉积行为

测试结果表明倒置负极结构(Inverted structure)较常规采用的正置结构(Upright structure)在对称电池与全电池中均可提供更稳定的循环性能(约两倍),并展示了更高的库伦效率与倍率能力(图3和图4)。

3. 基于倒置结构的对称电池电化学性能

4. 基于倒置结构的全电池性能

更为重要的是,这一倒置结构具有广泛的通用性,这主要体现在两个方面:其一,倒置结构可基于不同的集流体进行制备,如超薄导电织物(图5)、金属纳米线网络、金属泡沫等;其二,倒置结构设计可适用于各种金属基电池体系,如锂金属电池、钠金属电池、钾金属电池、锌金属电池等。

5. 基于超薄的PET导电织物的倒置结构及其电化学性能

李东东为本文第一作者。

作者简介

文章第一作者:李东东, 南京邮电大学,副教授,2015年获东南大学博士学位,2019.1-2020.12期间于香港理工大学纺织及制衣学系从事博士后研究。目前主要从事锂(钠)金属电池、柔性织物纤维结构、可穿戴电子材料与器件等方面的研究工作。已在Advanced Materials, Advanced Energy MaterialsApplied Physics Reviews, Advanced Functional Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, SmallAdvanced Materials Technologies, Advanced Sustainable Systems, Materials Chemistry Frontiers, Chemical Communications, Journal of Physical Chemistry C, Inorganic Chemistry Frontiers等学术期刊上以第一作者身份发表SCI论文20余篇,授权国家发明专利4项。

文章通讯作者:郑子剑教授,香港理工大学纺织与服装学系, 智慧能源研究院、智能可穿戴研究院教授。清华大学本科、英国剑桥大学博士、美国西北大学博士后。2018年当选香港青年科学院创院院士,2020年当选长江讲座教授,2021年当选香港研资局高级研究学者。研究方向主要包括柔性电子、微纳制造、高分子智能材料、能源转化与存储。已在包括ScienceNature MaterialsNature CommunicationsJouleAdvanced MaterialsJACSAngew. Chem等高水平SCI期刊发表学术论文140余篇,引用1万余次;申请专利25项。

Inverted Anode Structure for Long-Life Lithium Metal Batteries

Dongdong Li, Chuan Xie, Yuan Gao, Hong Hu, Lei Wang, Zijian Zheng*

Adv. Energy Mater.

DOI: 10.1002/aenm.202200584

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202200584