青岛能源所开发出利用诱导沉积制备薄层无枝晶金属锂负极的新方法

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随着智能手机、电动汽车等产业的高速发展，人们对兼具高能量密度、高安全性的二次储能电池的需求日益增长。在各类电池材料体系中，金属锂具有高理论容量（3860mAh g–1）、低氧化还原电势（–3.04V vs. 标准氢电极）、低密度（0.59 g cm–3）等优势，成为近年来储能研究领域的前沿热点课题。然而，金属锂负极在充放电过程中，容易与电解液发生各种副反应形成不稳定的固体电解质界面膜(SEI)并伴随电极界面锂的不规则沉积导致形成针状或树枝状的锂枝晶。锂枝晶的形成和生长会给电池体系带来不可逆的容量损失，甚至可能会穿过隔膜而导致电池正负极内部短路引起过热、自燃等安全隐患。如何更好的调控金属锂在电化学沉积界面的成核以及沉积行为、抑制电化学反应过程中锂枝晶生长是实现金属锂负极在高能量密度二次电池，包括锂金属固态电池、锂硫电池、锂空电池能否实现实际应用的关键。
　　近年来，青岛能源所碳基材料与能源应用研究组利用富碳结构石墨炔分子中大量分布的活性炔键以及微纳孔结构等独特性质，将石墨炔及其衍生物应用于金属负极保护，取得了一系列的创新性研究成果。如石墨炔在金属铝负极表面可以有效降低铝锂合金的沉积电位，抑制锂在铝负极界面的快速无序沉积，缓解了电化学反应过程中铝负极的粉化失效；利用三维结构石墨炔碳骨架的亲锂性和导电性，可以在铜集流体表面实现稳定的、无枝晶的金属锂沉积（ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 2623； ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 1741； Carbon 2019, 142, 401；ACS Appl. Mat. Interfaces 2019, 11, 23990）。

　　

　　图  基于诱导沉积的方法可控制备薄层金属锂负极

　　在上述研究基础上，该研究组进一步通过分子结构设计将具有较大电负性和亲锂作用的含硫噻吩官能团与炔键相连，报道了一种通过诱导沉积的方法直接在集流体表面实现可控制备薄层海藻状金属锂负极以提高锂金属电池循环稳定性的方法。通过将具有较大电负性和亲锂作用的含硫噻吩官能团与炔键相连，可以实现噻吩炔表面锂金属的均匀成核和生长，并形成由单个金属锂棒形成的海藻状金属锂薄层。通过理论计算明确了噻吩炔中均匀分布的硫原子与炔键形成的协同效应增强锂与成核活性位点之间的相互作用，优化整个碳骨架区对于锂的均匀吸附能力，同时利用硫原子调控电荷在锂与噻吩炔界面的转移与传输性能，降低锂的成核过电势从而诱导锂均匀成核。研究结果表明，制备的海藻状薄层金属锂与铜箔上直接沉积的块状金属锂相比，体现出较低的成核过电势与界面阻抗，同时在对称金属锂电池中表现出优异的循环稳定性。由海藻状锂金属负极和Li4Ti5O12作为正极组装的全电池在1000多个循环中具有优异的容量保持率。
　　此项研究为制备具有特定形貌的薄层锂金属负极提供了一种简便而可控的策略。同时，这项工作将有助于加深对金属锂沉积机理的认识，并有望进一步推动金属锂在无负极金属锂电池等高能量密度电池中的应用。本工作的相关研究成果最近以“Self‐Regulation Seaweed‐Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials上。该研究获得国家自然科学基金、中国科学院重点部署等项目的支持。 （文/图 王坤）
　　原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202009917
　　Wang, K.; Li, X.; He, J.; Yang, Z.; Gao, J.; Cui, S.; Huang, C. Self-Regulation Seaweed-Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery. Adv. Fun. Mater. 2021, 31,  2009917.


       文章来源：青岛能源所