白朔研究员等锂金属电化学沉积及界面反应调控取得进展

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近年来，锂离子电池在便携式电子设备中得到了广泛使用。当前商业化的锂离子电池普遍使用石墨作为负极，其理论比容量仅为372 mAh g-1，已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，当采用锂金属负极替换石墨负极，将使现有锂二次电池的能量密度大幅提升，但制约锂金属电池发展的难点是锂金属负极界面不稳定性。
　　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白朔研究员和沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部李峰研究员，联合季华实验室谭军研究员，在沈阳材料科学国家研究中心联合研究部邰凯平研究员飞秒激光加工方面的支持和帮助下，在锂金属电化学沉积及界面反应调控方面取得进展。
　　研究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，对于铜箔表面初始锂核分布状态对生长行为影响的研究仍相对不足。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，科研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了显著提高。

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

　　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，研究人员提出了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。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，显著提高负极界面无机组分的转化效率，实现高电流密度下无锂负极稳定长循环。
　　近期上述工作以金属所申浩瑞博士和于彤博士为第一作者和共同第一作者，相关研究工作发表在Small（2023, 19, 2206000）和Advanced Materials（2023, DOI:10.1002/adma.202306553）。该研究工作获得了国家自然科学基金设备研制项目、面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、国家重点研发计划、国家博士后创新人才计划等的资助。