北理工在鋰金屬復(fù)合負(fù)極方向取得研究新進(jìn)展
發(fā)布日期：2021-08-27 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 黃佳琦
編輯：石殊倫 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：
近日,，國際材料領(lǐng)域期刊《Advanced Energy Materials》（影響因子29.368）報(bào)道了北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦課題組在鋰金屬復(fù)合負(fù)極方向研究的新進(jìn)展,，相關(guān)研究成果以“Deciphering the Effect of Electrical Conductivity of Hosts on Lithium Deposition in Composite Lithium Metal Anodes”為題在線發(fā)表,。該工作第一作者為北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院博士研究生詹迎新,，通訊作者為北京理工大學(xué)黃佳琦教授,。
金屬鋰有著極高的理論比容量（3860 mAh g?1）和極低的還原電極電勢(shì)（?3.040 V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）,，被認(rèn)為是高比能二次電池的理想負(fù)極材料之一,。然而,，金屬鋰在反復(fù)的沉積/脫出過程中容易形成鋰枝晶和發(fā)生體積膨脹等問題，導(dǎo)致鋰金屬電池的庫侖效率低,，循環(huán)壽命短,。將三維骨架結(jié)構(gòu)引入鋰金屬負(fù)極中，形成復(fù)合鋰金屬負(fù)極，可以有效緩解鋰的體積膨脹和抑制鋰枝晶的生長(zhǎng),。但是,，不同的骨架結(jié)構(gòu)具有不同的參數(shù)（導(dǎo)電性，親鋰性,，孔曲折度等）,，而骨架的優(yōu)勢(shì)往往都是通過各個(gè)影響因素的耦合作用實(shí)現(xiàn)的。由于骨架各個(gè)參數(shù)之間的耦合,，無法準(zhǔn)確理解骨架的單個(gè)影響因素對(duì)鋰沉積行為的影響,，嚴(yán)重阻礙了骨架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和開發(fā)利用。為了探究骨架結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)原則,，需要對(duì)骨架結(jié)構(gòu)中眾多的影響因素進(jìn)行解耦,，解析骨架單個(gè)影響因素對(duì)鋰沉積行為影響。
以解耦骨架導(dǎo)電性的影響為例,，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)解耦和相場(chǎng)模擬結(jié)合的方法探究了復(fù)合鋰金屬負(fù)極中骨架導(dǎo)電性對(duì)鋰沉積行為的影響,。通過在導(dǎo)電骨架表面原位形成聚合物超薄涂層來調(diào)控骨架的電導(dǎo)率，同時(shí)保持其他參數(shù)不變,。在考慮實(shí)用化條件的情況下,，選擇銅網(wǎng)(CM)和碳纖維(CF)兩種典型骨架材料進(jìn)行導(dǎo)電性影響的探究。
圖1. (a) 不同骨架導(dǎo)電性與電池循環(huán)性能的關(guān)系總結(jié)圖,；(b) 鋰在導(dǎo)電與不導(dǎo)電骨架上沉積形貌的示意圖,。
與低導(dǎo)電性的骨架材料相比，高導(dǎo)電性的骨架材料可以顯著提高多種實(shí)用電池體系的循環(huán)性能（圖1）,。因?yàn)閷?dǎo)電骨架可以充分利用其導(dǎo)電表面,，增加鋰的沉積位點(diǎn)，降低局部電流密度,，而且高導(dǎo)電性的骨架可以使骨架周圍的電勢(shì)均勻分布,，進(jìn)而誘導(dǎo)鋰離子的均勻輸運(yùn)，使得鋰離子在導(dǎo)電骨架表面沉積均勻,。此外,，在含鋰的復(fù)合負(fù)極中，全電池循環(huán)性能還與骨架單位截面孔體積密切相關(guān),，骨架導(dǎo)電性的影響會(huì)隨骨架單位截面孔體積的增大而減弱,。這種解耦方法為探究單一參數(shù)在骨架中的作用提供了一種新方法，該方法也可廣泛應(yīng)用于探索骨架的其他影響因素,，如親鋰性和孔隙結(jié)構(gòu)等,。
附作者簡(jiǎn)介：
黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,，博士生導(dǎo)師,，九三學(xué)社社員。主要開展能源界面化學(xué)研究。發(fā)表SCI論文100余篇,，其中60余篇為ESI高被引論文,，h因子84。擔(dān)任中國顆粒學(xué)會(huì)青年理事會(huì)理事,，J. Energy Chem.,、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.,、Green Energy Environ.,、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評(píng)2016年中國化工學(xué)會(huì)侯德榜化工科技青年獎(jiǎng),，2018年中國顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng),，2018年國家萬人計(jì)劃青年拔尖人才，2020年北京市杰出青年科學(xué)基金等,；2018-2020年連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家,。
論文信息：
Deciphering the Effect of Electrical Conductivity of Hosts on Lithium Deposition in Composite Lithium Metal Anodes, Advanced Energy Materials , 2021, 10.1002/aenm.202101654.
Ying-Xin Zhan, Peng Shi, Rui Zhang, Xue-Qiang Zhang, Xin Shen, Cheng-Bin Jin, Bo-Quan Li, Jia-Qi Huang*.
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101654
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