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宁波材料所在高比能锂金属负极保护研究中取得

更新时间:2019-03-02

通过材料优选跟结构设计,结合中压等离子体技能,该团队与新能源所研究员叶继春团队配合开发了一种碳纸/海绵碳双层结构,运用锂金属在碳纸上的低沉积电位以及海绵碳的高机械性能和电化学惰性,获得了一种导向性的双层碳结构,实现了4毫安时/平方厘米的锂金属负极稳定循环(Energy Storage Mater. 2018,11,47-56,图1b)。此外,该团队还制备了一种特殊的重叠石墨烯,具备通例石墨烯无奈实现的高沉积过电势。通过将此类堆叠石墨烯吸附于泡沫铜结构中,实现了过滤型锂金属沉积在三维结构中的应用,并失掉高电流密度(5毫安时/平方厘米)下的牢固循环(Energy Storage Mater. 2019, 16, 364-373,图1c)。进一步地,通过抽滤此类重叠石墨烯跟氟化锂的分散液,该团队取得一种氟化锂润饰的层状碳膜结构,并发现在首次镀锂过程中,会在堆叠石墨烯毛病处发生氟化锂到碳氟键的转化气象,从而失掉碳氟键修饰的层状保护结构,极大提高了其对锂金属的保护机能(Adv. Energy Mater. 2019, 1802912,封面文章,图1d)。

针对锂金属界面不稳固的顽疾,中国科学院宁波资料技巧与工程研讨所新型储能材料与器件团队长期以来进行了大量的界面维护构造设计,已在前期取得显明进展(相关成果发布于J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2427-2432,ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 26801-26808,J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9339-9349,Nano Energy 2017, 39, 662–672)。在此基础上,团队基于锂金属负极的界面轮回机理发展了更深入的基本及利用研究,并在近期获得一系列进展。

为了更好地理解锂金属的名义SEI膜化学及电化学反应机理,团队联合原位电化学-原子力显微镜,以双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)为研究对象,系统研究了锂盐浓度对SEI膜形貌及力学性能的影响,并发明通过盐浓度调控,可获得不同模量及厚度的SEI膜(图1a)。此类景象在不同溶剂中皆有体现,具备普适性(J. Phys. Chem. C 2018, 122, 9825-9834)。

锂金属二次电池是下一代高能量密度储能器件的首选体系。作为锂金属电池的“圣杯”负极材料,锂金属存在3860毫安时/克的高比容量以及最低的氧化还原电位,是实现未来锂空气、锂硫等高能量密度体系的必需材料,也是实现中期目标500瓦时/千克级储能电池的首选负极材料。然而,受制于锂金属沉积进程中的不规则枝晶成长以及锂金属与电解液的不可逆反应,锂金属负极在循环过程中会形成极度不稳定的电极/电解液界面,快速损耗电池容量、增加电池内阻,导致锂金属负极在电池中的实际应用受到诸多挑战。