電池不耐用？高性能鋰金屬電池讓電動車續航時間更長

2020-12-25 眾創網

科學家研究新發現讓電動車續航時間更長久！


由於金屬鋰負極存在壽命短和穩定性差異等問題，其商業化使用方面往往存在一定的問題，哪怕在眾多負極中，金屬鋰負極具有高的理論比容量和低的電極優勢。研究發現，未來將能解決以上的問題，增長鋰電池的使用壽命，讓其更耐用，更穩定，續航時間更長。


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，選用原位和頻振動光譜手段，在金屬鋰表面製備出有序結構的有機/無機SEI層，研究出了其作用機制。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。


隨著社會對高能量密度和高功率密度電動車需求的增加，高性能金屬電池的研究也頗受科學家們的關注，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，組成的鋰硫電池的容量高達2600 Wh kg-1，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，能夠製備出不同的活性納米催化劑複合材料。


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，形成枝晶；體積膨脹引起的電極結構變形和粉化。以上這些都是金屬鋰負極面臨的挑戰。


表現在鋰電池上，就是SEI反覆破裂和生成、鋰負極體積膨脹、鋰體晶生長、死晶等導致以上這些導致電池阻抗增加和安全性問題等諸多挑戰，限制了高性能鋰金屬電池的快速發展。


研究利用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，其不同於常規的無序結構或單一組分SEI的負極，這種在原位自組裝的有機/無機混合SEI的簡單製造，在鋰表面上具有有序的雙層結構。



利用前期課題組報導的LiFSI基醚類電解液體系，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。研究顯示，對比原始鋰片形成的眾多的裂痕與粉化，預處理的金屬鋰表面則光滑而平整。


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發現，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，能夠抑制鋰枝晶的形成，其成果對抑制鋰枝晶形成的具有明顯優勢，對未來金屬鋰的商業化使用有明顯助力。

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