周永宁课题组在高性能复合金属锂负极设计方面取得新进展

xiangshanxing

随着电动汽车等大容量移动储能应用的快速发展，传统锂离子电池已不再能满足需求。因此，开发具有高能量密度和长循环寿命的下一代锂电池迫在眉睫。金属锂由于其超高的理论比容量（3860mAh/g）和极低的电化学电位（-3.04V vs.标准氢电极），被认为是下一代锂电池最具潜力的负极材料。然而，金属锂负极在反复的锂沉积/剥离过程中存在锂枝晶纵向生长和体积变化大等本质问题，严重阻碍了金属锂负极的实际应用。近日，我系周永宁团队在高性能复合金属锂负极方面的最新研究成果：以《赤铜矿包覆泡沫铜骨架诱导锂枝晶横向生长》（“Cuprite-coated Cu foam skeleton host enabling lateral growth of lithium dendrites for advanced Li metal batteries”）为题发表于能源材料领域权威期刊《能源存储材料》（Energy Storage Materials）（2018, DOI: 10.1016/j.ensm.2018.12.007）。

      金属锂负极目前面临以下挑战：1. 电池在循环过程中垂直于电极表面生长的锂枝晶会刺穿电池隔膜，导致电池内部短路。严重情况下会造成电池起火甚至爆炸；2. 生长的枝晶会消耗更多的电解液，形成不稳定的固体电解质界面（SEI）层，导致电池容量的快速衰减；3. 在枝晶生长和断裂，以及电极体积变化的共同作用下，金属锂负极表面会形成电绝缘的“死”锂层，是导致电池性能恶化的另一重要因素。

      周永宁团队通过熔锂法成功合成了一种能够诱导金属锂横向生长的复合金属锂负极（CCOF-Li），他们采用泡沫铜作为骨架，通过在疏锂的泡沫铜表面生长一层赤铜矿（Cu2+1O）氧化层。在保证骨架机械性能的前提下，显著改善了泡沫铜的锂润湿性，使得熔融金属锂可以迅速渗入到泡沫铜骨架中形成三维骨架支撑的复合金属锂。这种特殊的电极结构，能够为金属锂优先在平行于电极表面方向上的生长提供空间和条件，从而抑制了金属锂在垂直于电极表面方向上的生长，以及“死”锂层的形成。此外，三维骨架能够降低电极的局部电流密度，形成均匀的锂沉积/剥离行为，并缓冲充放电过程中的电极体积变化。将这种复合金属锂负极应用于锂-硫电池中时，显著改善了电池的循环性能和倍率性能。该文章的第一作者为我系博士研究生岳昕阳，通讯作者为周永宁青年研究员。研究工作得到了中组部青年##计划的资助。