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金属所等在锂金属电化学沉积及界面反应调控方面获进展

研发快讯 2023年11月02日 10:05:04来源:金属研究所 11522
摘要采用锂金属负极替换石墨负极,将使得现有锂二次电池的能量密度大幅提升,但锂金属电池的发展受到锂金属负极界面不稳定性这一难点的制约。 

  【仪表网 研发快讯】近年来,锂离子电池在便携式电子设备中得到广泛应用。当前,商业化的锂离子电池普遍使用石墨作为负极,理论比容量仅为372 mAh g-1,难以满足电动车与便携电子设备快速发展的需求。因此,需要开发容量更高的材料来代替石墨。现有的负极材料中,锂金属具有最高比容量(~3860 mAh g-1)和最低氧化还原电位等优点。采用锂金属负极替换石墨负极,将使得现有锂二次电池的能量密度大幅提升,但锂金属电池的发展受到锂金属负极界面不稳定性这一难点的制约。
 
  近期,中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心前沿材料研究部研究员白朔、沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部研究员李峰,联合季华实验室研究员谭军,并得到前沿材料研究部研究员邰凯平在飞秒激光加工方面的协助,在锂金属电化学沉积及界面反应调控方面取得了进展。
 
  科研人员考虑到铜箔具有良好的导电性、较低的成本和成熟的制备工艺,是常用的锂金属电池负极集流体。然而,在高电流密度下,铜箔表面锂金属沉积/剥离过程的库伦效率低且不稳定。此外,鲜有关于铜箔表面初始锂核分布状态对生长行为影响的研究。采用飞秒激光来改变铜表面形态和式样是调控铜表面金属锂形核能垒分布以及锂离子吸附状态的有效手段。因此,研究人员提出利用飞秒激光在铜表面加工出有序的亲锂微槽来诱导金属锂的有序致密沉积,使得锂金属负极在高电流密度下的库伦效率和循环稳定性得到显著提高。
 
  为了进一步调控铜基体表面与电解液界面之间锂离子输运动力学和阴离子界面反应效率,该研究提出利用功能微阵列选择性调控电解液中离子溶剂化结构空间分布。该工作使用具有强负电官能团的纳米羟基磷灰石来吸附锂离子,进而形成了局部高浓度的锂离子溶剂化区域,使得阴离子有效进入电双层并吸附在内亥姆霍兹层与金属锂发生反应,显著提高了负极界面无机组分的转化效率,实现了高电流密度下无锂负极稳定长循环。
 
  相关研究成果发表在Small(2023, 19, 2206000)和Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202306553)上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和博士后创新人才支持计划等的支持。
 
图1. 飞秒激光亲锂铜微阵列诱导有序致密金属锂沉积示意图
 
图2. 纳米羟基磷灰石微阵列对负极侧阴离子还原反应效率的影响

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