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

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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（?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。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)會青年理事會理事，J. Energy Chem.、InfoMat編委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年編委。曾獲評2016年中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，2018年中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(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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