北理工前沿交叉科學(xué)研究院在金屬鋰負(fù)極界面保護領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期：2018-04-23 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：李卡 審核：王博 閱讀次數(shù)：日前，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦特別研究員和清華大學(xué)、中科院物理所的合作者在金屬鋰負(fù)極保護研究方面取得重要進展。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于Advanced Materials（《先進材料》, 影響因子19.79），題目為“Dual-Layered Film Protected Lithium Metal Anode to Enable Dendrite-Free Lithium Deposition”。論文第一作者為前沿交叉院博士生閆崇。
高安全性、高能量密度、長壽命電池是推動能源高效利用的關(guān)鍵。采用具有極高的理論比容量（3860 mAh g?1）和最低電極電勢（?3.04V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）的金屬鋰電極作為二次電池的負(fù)極材料是解決人們對里程焦慮和安全隱患的重要技術(shù)路線，也是發(fā)展高安全固態(tài)電池的關(guān)鍵。然而，金屬鋰表面在充放電循環(huán)中具有較高的化學(xué)活性，導(dǎo)致其界面穩(wěn)定性差，這將導(dǎo)致鋰枝晶的生長，電池庫倫效率低等問題。充分認(rèn)識鋰離子在金屬鋰表面的沉積和脫出行為，深入理解鋰金屬電極界面結(jié)構(gòu)對于鋰離子沉積和脫出的影響有著重要意義。
黃佳琦課題組等利用金屬鋰高活性特點在鋰表面構(gòu)筑了雙層界面膜。該界面膜外層主要由有機組分構(gòu)成，內(nèi)層主要由無機組分構(gòu)成。相比于傳統(tǒng)的無序馬賽克結(jié)構(gòu)的金屬鋰界面膜，該雙層結(jié)構(gòu)有序的界面膜能夠更好實現(xiàn)金屬鋰的均勻沉積與脫出，穩(wěn)定固液界面，大大抑制了鋰枝晶的產(chǎn)生，在增強電池的安全性的同時有效提升了金屬鋰電池的循環(huán)壽命。
圖1 分子動力學(xué)模擬計算及構(gòu)筑雙層SEI膜示意圖
研究人員利用金屬鋰的高化學(xué)活性，采用分子動力學(xué)計算模擬驗證了氟代碳酸乙烯酯與金屬鋰的自發(fā)化學(xué)反應(yīng)的特性，通過將金屬鋰在氟代碳酸乙烯酯（FEC）中進行化學(xué)處理，獲得了雙層界面保護膜（圖1）。原子力學(xué)顯微鏡測試（AFM）和X-射線光電子能譜深度濺射（XPS）表征發(fā)現(xiàn)，金屬鋰表面存在雙層膜結(jié)構(gòu)，外層以有機成分（ROCO2Li、ROLi）為主，內(nèi)層以無機成分（LiF、Li2CO3）為主。此結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)電化學(xué)反應(yīng)體系下金屬鋰表面形成的馬賽克結(jié)構(gòu)。該雙層界面膜可以通過預(yù)先形成均勻的沉積形核位點來實現(xiàn)鋰的柱狀沉積。常規(guī)馬賽克界面膜鋰沉積為灰黑色，而本研究提出的雙層膜保護的金屬鋰沉積物呈現(xiàn)天藍(lán)色（圖2）。將該具有保護層的鋰片用于鋰鋰對稱電池、三元鎳鈷錳（NCM）金屬鋰電池，發(fā)現(xiàn)金屬鋰負(fù)極的循環(huán)壽命和電池穩(wěn)定性得到顯著提升；雙層膜保護的金屬鋰電極表面的沉積形貌光滑、致密、金屬鋰沉積均勻。這說明雙層膜有效保護了金屬鋰，能抑制枝晶的形成。這對于構(gòu)筑金屬鋰表面人工界面膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計及深入理解鋰離子在不同界面膜中輸運及沉積行為都具有重要參考價值。
圖2 金屬鋰表面不同結(jié)構(gòu)界面膜對于鋰形核點和晶核生長的影響（a-c為雙層有序結(jié)構(gòu)界面膜，d-f為無序界面膜）
黃佳琦特別研究員入職北京理工大學(xué)前沿交叉院以來，在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計劃的資助下，主要開展能源存儲材料研究。以第一作者/通訊作者身份，在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Science Bulletin等期刊發(fā)表一系列研究工作。其發(fā)表論文的總引用8000余次，h因子為51，其中29篇為ESI高被引論文。
黃佳琦擔(dān)任中國顆粒學(xué)會青年理事會理事，Journal of Energy Chemistry《能源化學(xué)》及Chinese Chemical Letters《中國化學(xué)快報》青年編委，任Advanced Functional Materials《先進功能材料》鋰硫電池專刊客座編輯。入選首屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃，獲評中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎。
論文鏈接：
Chong Yan, Xin-Bing Cheng, Yang Tian, Xiang Chen, Xue-Qiang Zhang, Wen-Jun Li, Jia-Qi Huang, Qiang Zhang, Dual-Layered Film Protected Lithium Metal Anode to Enable Dendrite-Free Lithium Deposition, Advanced Materials, 2018, 30, 1707629, DOI: 10.1002/adma.201707629
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