華中科大孫永明教授團隊在快速充放電特性鋰金屬電池研究取得進展

2020-07-10 小材科研

鋰離子電池在電子設備、通訊傳輸、交通工具、軍事武器領域等具有重要應用。然而，鋰離子電池的進一步發展正面臨重大挑戰。當前電池研究的一個重點和難點是如何使電池同時實現高的電池能量密度和快速充放電能力。金屬鋰具有最高的理論比容量和最低的電化學電電位，被認為是最有前景的下一代高比能鋰電池負極。但是受限於電極（鋰箔）緩慢的界面鋰離子擴散，很難實現鋰箔負極高倍率應用。

針對傳統金屬鋰箔電極與液體電解液接觸面積小，鋰離子在電極界面傳輸慢，進而限制了金屬鋰箔電極的倍率性能的問題，華中科技大學-武漢光電國家研究中心孫永明教授團隊提出在鋰金屬箔材內部構建鋰離子高速傳輸網絡，從而提高鋰金屬電極倍率性能的解決思路，為高倍率鋰金屬負極材料的設計提供了新的方向。相關工作以Mechanical rolling formation of interpenetrated lithium metal/lithium tin alloy foil for ultrahigh-rate battery anode為題發表在《自然·通訊》上。

華中科大孫永明教授團隊在快速充放電特性鋰金屬電池研究取得進展

電極的高倍率性能要求電極載流子快速遷移，然而傳統金屬鋰箔電極作為平面電極與液體電解液接觸面積小，不利於鋰離子在電極界面快速擴散，限制了金屬鋰箔電極的充放電倍率性能。

針對以上問題，華中科技大學孫永明教授與史丹福大學崔屹教授課題組將目光投向了高離子電導的鋰錫合金，設計了一種能在高電流密度下穩定充放電的合金基金屬鋰箔負極。該工作通過在常溫下將鋰箔和錫箔簡單重複壓延和摺疊，利用兩者之間自發的合金化反應，製備出一種互穿型鋰金屬/鋰錫合金複合箔負極。

該複合結構主要優勢如下：（1）鋰錫合金在電極內部形成三維框架結構，其高的鋰離子擴散係數和強的親鋰性及與金屬鋰之間豐富的接觸界面有助於實現鋰離子在整個複合電極內部的快速傳輸；（2）鋰錫合金與金屬鋰之間合理的電勢差可以作為鋰離子在電極內部傳輸的驅動力，加快離子的擴散，提高電極的倍率性能；（3）與金屬鋰相比，鋰錫合金電化學反應電勢較高，與電解液的副反應較少，在電池循環中對電解液的消耗更少；（4）三維交織的鋰錫合金框架在電池循環中可作為鋰脫出/沉積的穩定基體，減少循環過程中電極的體積變化；（5）Li/Li22Sn5複合箔材在常溫下以簡單輥壓工藝製備，有助於實現產業化應用。

華中科大孫永明教授團隊在快速充放電特性鋰金屬電池研究取得進展

(a). Li/Li22Sn5電極製備示意圖。(b). Li22Sn5三維框架中Sn元素的EDX元素分布圖譜。(c). 30 mA cm-2，5 mAh cm-2 測試條件下的Li對稱電池和Li/Li22Sn5對稱電池的時間-電壓曲線。

由互穿型Li/Li22Sn5複合箔電極組裝的對稱電池在碳酸酯電解液中30 mA cm-2電流密度和5 mAh cm-2面積容量下表現出超低的過電勢（~ 20 mV），並能穩定循環200圈以上；Li/Li22Sn5負極與三元材料（NCM622）正極組裝成的電池在6 C的電流密度下具有74%的容量保持率（10分鐘充電至74%）; Li/Li22Sn5負極與磷酸鐵鋰正極組裝的電池在5 C電流密度下初始比容量為132 mAh g-1，並在500次循環後依然具有91%的容量保持率。Li/Li22Sn5負極與鈦酸鋰組裝成的電池在充電電流密度高達15 C（30 mA cm-2）、鈦酸鋰電極載量為2 mAh cm-2情況下，容量保持率為50%（4分鐘充電至50%）。

來源：華中科技大學新聞網

論文連結

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14550-3

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