蔺洪振团队: 空气水汽稳定快速导锂合金层助力无枝晶锂金属电池

yesorno

随着现代智能社会的发展，由于智能设备和电动汽车的出现，高能量密度锂电池的发展变得更加紧迫。与传统的石墨负极（372 mAh g-1）相比，金属锂负极具有较高的理论比容量（3860 mA h g-1）和相对较低的电极电位（-3.04 V vs. SHE），被认为是锂电池最理想的负极材料。然而，金属锂负极的发展还面临以下挑战：1）锂表面的锂枝晶生长和电镀/剥离过程中的大体积变化；2）电化学原位生成固体电解质界面（SEI）的裂纹，导致性能和寿命下降。电极/电解液界面处不可控的锂成核行为和缓慢的锂扩散动力学是造成上述挑战的原因。在高电流密度下，缓慢的界面锂扩散和随机的锂离子通量导致大的过电位和低的库仑效率，从而限制了锂金属负极的倍率性能。团队在前期研究中发现，构筑有序结构的SEI人工层能够抑制枝晶的生长（ACS Applied Mater. Interface 2019, 11, 30500; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434;），调控锂离子的动力学行为能获得长寿命的循环（Nano Lett. 2021, 21, 3245;Chem. Eng. J. 2020, 128172; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246; Energy Storage Mater. 2020, 28, 375；Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434; ChemSusChem 2020, 13, 3404）。然而，对于大规模商业化组装，金属锂对湿度敏感并导致副反应发生而失活，因此其实际应用也受到其临界组装条件（O2<1 ppm；H2O<1 ppm）的限制。
　　针对上述问题，中科院苏州纳米所蔺洪振研究员与王健博士合作提出了利用金属合金修饰层来实现快速的锂扩散，使得横向沉积的锂原子均匀化，实现锂金属表面的无枝晶化。此外，该锂离子快速扩散层能够在实际环境湿度下显示出极高的耐湿腐蚀性，并采用了界面敏感的和频振动光谱对其表面的水分子吸附状态进行了研究。制备的电极在真正环境暴露6min后，依旧展现出低的过电势与长寿命。
　　利用锂与金属盐的置换反应在锂表面制备出快速离子扩散合金层（RIDAL-Li），理论模拟和电化学分析证实，RIDAL层的引入有效地将界面锂离子转移势垒降低到0.8eV，这种合金层允许快速原子扩散和锂离子在横向平面上的均匀分布，从而降低界面传输阻抗或势垒。

　      　图1. RIDAL-Li的制备及锂离子扩散理论模拟

　　经过预处理的RIDAL-Li负极可以实现900h的长寿命和99%的高库仑效率而没有枝晶生长。同时，所制备的RIDAL层还显示出优异的耐湿度和氧气腐蚀性能。即使暴露在相对湿度为51%的环境中60分钟，RIDAL-Li仍然有400小时的循环寿命，并表现出约18mV的低过电位，这些结果优于绝大多数的报道。此外，对循环后的电极形貌也进行了表征与机制研究，发现金属锂表面依旧保持着初始状态。
　　与LiFePO4或硫正极配合，全电池的稳定性和容量保持率显著提高。由于RIDAL层在电极/电解质界面快速的离子扩散，基于 RIDAL-Li 的Li-S全电池在高倍率（4 C和5 C）仍旧有较高容量，表明了此种方法制备的金属锂负极未来商业化的巨大前景。
　　以上研究成果的第一作者为王健博士、胡慧敏研究生，通讯作者为蔺洪振研究员，以“Construction of Moisture-stable Lithium Diffusion-controlling Layer towards High Performance Dendrite-free Lithium Anode”为题，发表在Advanced Functional Materials期刊中。以上工作受到了江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金及德国Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）等基金项目支持。
        文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202110468


        文章来源：苏州纳米所
      蔺洪振，中科院苏州纳米所研究员，博士生导师；1998年本科毕业于清华大学化学系，2004年在中科院化学所取得博士学位，2004.10-2010.9间先后获得JSPS和玛丽居里奖学金支持，在日本名古屋大学和瑞典隆德大学从事研究工作，2010年加入苏州纳米所，主要研究方向为发展原位界面非线性光谱技术并将其应用于探究功能器件界面物理化学。从事科研工作以来，在Nature Comm.、 JACS、Nano lett、Nano Energy、J Phys Chem Lett、Small等一系列知名刊物上发表论文50余篇，参与编写英文专著一部；承担或参与国家自然科学基金委重点和面上项目、科技部国家重点研究计划、江苏省自然科学基金项目等多项。