在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程和北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃的資助下，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦特別研究員課題組在下一代高能量密度金屬鋰電池中高安全性金屬鋰負(fù)極研究方面取得新進(jìn)展。近期，相關(guān)研究成果以題為“Artificial soft–rigid protective layer for dendrite-free lithium metal anode”于2018年1月8日在線發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials, 影響因子12.124)。
金屬鋰憑借其極高的理論比容量(3860 mA h g?1)和最負(fù)的電極電位(?3.045 V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極)而被認(rèn)為是最具有開(kāi)發(fā)前景的高比能負(fù)極材料之一。但金屬鋰電極的實(shí)用化受到鋰枝晶生長(zhǎng)和較低循環(huán)效率的限制。金屬鋰是一種高活潑性金屬，與電解液接觸時(shí)形成結(jié)構(gòu)和組分復(fù)雜的固態(tài)電解質(zhì)界面，在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中難以維持界面的穩(wěn)定。因此，界面處鋰離子的不均勻沉積易引發(fā)針狀、樹(shù)枝狀、苔蘚狀的鋰沉積。鋰枝晶的生長(zhǎng)一方面會(huì)刺破隔膜，與正極接觸引發(fā)電池短路，造成安全隱患;另一方面也增大了金屬鋰與電解液的接觸面積，使得副反應(yīng)增多，電池的循環(huán)效率進(jìn)一步下降。
“剛?cè)嵯酀?jì)”的復(fù)合膜對(duì)界面進(jìn)行修飾后，可有效依附于金屬鋰表面，并抑制枝晶生長(zhǎng)的示意圖。
為了構(gòu)建穩(wěn)定的金屬鋰/電解液界面，調(diào)控鋰的均勻沉積，該課題組提出以無(wú)機(jī)LiF為剛性組分，以PVDF-HFP聚合物為柔性組分來(lái)構(gòu)建“剛?cè)嵯酀?jì)”的復(fù)合膜，以在電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定金屬鋰與電解液的界面。其中，柔性聚合物提供的柔性和可伸縮性可承受金屬鋰電極沉積/溶解過(guò)程中的界面波動(dòng)，而剛性組分的引入可進(jìn)一步提升修飾層的機(jī)械模量，從而抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)鋰的均勻沉積。將這種同時(shí)具有好的形變性能、高的機(jī)械模量和離子導(dǎo)率的界面修飾層引入到紐扣電池中后，Li-Cu半電池、Li-Li對(duì)稱電池的循環(huán)壽命以及循環(huán)穩(wěn)定性都顯著提升;與磷酸鐵鋰正極匹配的全電池測(cè)試中，復(fù)合層修飾后的電池循環(huán)壽命提升了2.5倍。