隨著電動汽車等大容量移動儲能應(yīng)用的快速發(fā)展,傳統(tǒng)鋰離子電池已不再能滿足需求。因此,開發(fā)具有高能量密度和長循環(huán)壽命的下一代鋰電池迫在眉睫。金屬鋰由于其超高的理論比容量(3860mAh/g)和極低的電化學(xué)電位(-3.04V vs.標準氫電極),被認為是下一代鋰電池最具潛力的負極材料。然而,金屬鋰負極在反復(fù)的鋰沉積/剝離過程中存在鋰枝晶縱向生長和體積變化大等本質(zhì)問題,嚴重阻礙了金屬鋰負極的實際應(yīng)用。近日,我系周永寧團隊在高性能復(fù)合金屬鋰負極方面的最新研究成果:以《赤銅礦包覆泡沫銅骨架誘導(dǎo)鋰枝晶橫向生長》(“Cuprite-coated Cu foam skeleton host enabling lateral growth of lithium dendrites for advanced Li metal batteries”)為題發(fā)表于能源材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《能源存儲材料》(Energy Storage Materials)(2018, DOI: 10.1016/j.ensm.2018.12.007)。
金屬鋰負極目前面臨以下挑戰(zhàn):1. 電池在循環(huán)過程中垂直于電極表面生長的鋰枝晶會刺穿電池隔膜,導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。嚴重情況下會造成電池起火甚至爆炸;2. 生長的枝晶會消耗更多的電解液,形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面(SEI)層,導(dǎo)致電池容量的快速衰減;3. 在枝晶生長和斷裂,以及電極體積變化的共同作用下,金屬鋰負極表面會形成電絕緣的“死”鋰層,是導(dǎo)致電池性能惡化的另一重要因素。
周永寧團隊通過熔鋰法成功合成了一種能夠誘導(dǎo)金屬鋰橫向生長的復(fù)合金屬鋰負極(CCOF-Li),他們采用泡沫銅作為骨架,通過在疏鋰的泡沫銅表面生長一層赤銅礦(Cu2+1O)氧化層。在保證骨架機械性能的前提下,顯著改善了泡沫銅的鋰潤濕性,使得熔融金屬鋰可以迅速滲入到泡沫銅骨架中形成三維骨架支撐的復(fù)合金屬鋰。這種特殊的電極結(jié)構(gòu),能夠為金屬鋰優(yōu)先在平行于電極表面方向上的生長提供空間和條件,從而抑制了金屬鋰在垂直于電極表面方向上的生長,以及“死”鋰層的形成。此外,三維骨架能夠降低電極的局部電流密度,形成均勻的鋰沉積/剝離行為,并緩沖充放電過程中的電極體積變化。將這種復(fù)合金屬鋰負極應(yīng)用于鋰-硫電池中時,顯著改善了電池的循環(huán)性能和倍率性能。該文章的第一作者為我系博士研究生岳昕陽,通訊作者為周永寧青年研究員。
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