蘇州納米所在高性能鋰金屬電池研究中取得進展

2020-12-27 中國科學院

　　可攜式智能器件與長續航電動汽車的發展，對可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。當鋰負極與硫正極相匹配時，組成鋰硫電池的容量高達2600 Wh kg-1，這將適用於未來高能量密度需求的電動汽車。在前期的硫正極研究中，從納米材料結構設計與表面功能化出發（Journal of Power Sources, 2016, 321, 193；Nano Energy, 2017, 40, 390），製備出不同的活性納米催化劑複合材料（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 12727；Energy Storage Materials, 2020, 28, 375；ChemSusChem, 2020, 13, 3404），並選用原位光譜手段探究其相關作用機制 （Energy Storage Materials, 2019, 18, 246；Energy & Environmental Materials, 2020, DOI: 10.1002/eem2.12152）。

　　在眾多負極中，金屬鋰負極具有高的理論比容量和低的電極電勢。然而，壽命短和穩定性差等問題阻礙其商業化進程。金屬鋰負極面臨挑戰：電化學形成的固態電解質中間相（SEI）的脆性與疏鬆性，使金屬鋰發生不均勻沉積與溶解，最終形成枝晶；體積膨脹引起的電極結構變形和粉化。這些問題並非相互獨立，而是內在關聯的。

　　針對上述問題，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所教授張躍鋼與研究員藺洪振團隊，從表面功能化角度出發，在金屬鋰表面製備出有序結構的有機/無機SEI層，並選用原位和頻振動光譜手段研究其相關作用機制。

　　不同於常規的無序結構或單一組分SEI的負極（圖1），研究利用高反應活性Pyr13FSI離子液體在鋰金屬表面自組裝形成有序結構的有機/無機SEI層，通過界面選擇性和頻振動光譜（SFG）、X射線光譜（XPS）及原子力譜（AFM）表徵了有序結構中有機層與無機層的存在（圖2）。

圖1.金屬鋰表面SEI層的結構示意圖

圖2.有序結構SAHL-Li的自組裝演化過程及其界面有機、無機層的表徵

　　在電化學測試過程中，選用前期課題組報導的LiFSI基醚類電解液體系（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 30500），預處理的鋰金屬電極在高達10 mA cm-2的條件下表現出優異的可逆性與穩定性，即便在3 mA h cm-2的大沉積溶解容量下也保持著高庫侖效率，這些電化學結果優於多數報導的文獻。循環後的SEM圖顯示，預處理的金屬鋰表面光滑平整，而原始鋰片則形成眾多的裂痕與粉化。

圖3.有序雙層SAHL SEI層修飾鋰金屬電極的電化學穩定性

　　進一步，該團隊選用自主設計與研發的原位電化學和頻振動光譜技術，原位SFG測試結果顯示有序有機/無機雜化SEI層阻礙了溶劑分子在金屬鋰表面的吸附，對抑制鋰枝晶形成的具有優勢。

圖4.原位SFG對SEI作用機制研究

　　相關研究成果以In-situ self-assembly of ordered organic/inorganic dual-layered interphase for achieving long-life dendrite-free Li metal anodes in LiFSI-based electrolyte為題，發表在Advanced Functional Materials上，蘇州納米所博士王健為論文第一作者。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及德國Alexander von Humboldt Foundation（德國洪堡基金會）等的支持。

　　論文連結 

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