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北理工前沿交叉科学研究院在金属锂负极界面保护领域取得重要进展

供稿: 前沿交叉科学研究院 编辑: 李卡
(2018-04-23) 阅读次数:
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  日前,北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦特别研究员和清华大学、中科院物理所的合作者在金属锂负极保护研究方面取得重要进展。相关研究成果在线发表于Advanced Materials(《先进材料》, 影响因子19.79),题目为“Dual-Layered Film Protected Lithium Metal Anode to Enable Dendrite-Free Lithium Deposition”。论文第一作者为前沿交叉院博士生闫崇。

  高安全性、高能量密度、长寿命电池是推动能源高效利用的关键。采用具有极高的理论比容量(3860 mAh g−1)和最低电极电势(−3.04V vs 标准氢电极)的金属锂电极作为二次电池的负极材料是解决人们对里程焦虑和安全隐患的重要技术路线,也是发展高安全固态电池的关键。然而,金属锂表面在充放电循环中具有较高的化学活性,导致其界面稳定性差,这将导致锂枝晶的生长,电池库伦效率低等问题。充分认识锂离子在金属锂表面的沉积和脱出行为,深入理解锂金属电极界面结构对于锂离子沉积和脱出的影响有着重要意义。

  黄佳琦课题组等利用金属锂高活性特点在锂表面构筑了双层界面膜。该界面膜外层主要由有机组分构成,内层主要由无机组分构成。相比于传统的无序马赛克结构的金属锂界面膜,该双层结构有序的界面膜能够更好实现金属锂的均匀沉积与脱出,稳定固液界面,大大抑制了锂枝晶的产生,在增强电池的安全性的同时有效提升了金属锂电池的循环寿命。

图1 分子动力学模拟计算及构筑双层SEI膜示意图

  研究人员利用金属锂的高化学活性,采用分子动力学计算模拟验证了氟代碳酸乙烯酯与金属锂的自发化学反应的特性,通过将金属锂在氟代碳酸乙烯酯(FEC)中进行化学处理,获得了双层界面保护膜(图1)。原子力学显微镜测试(AFM)和X-射线光电子能谱深度溅射(XPS)表征发现,金属锂表面存在双层膜结构,外层以有机成分(ROCO2Li、ROLi)为主,内层以无机成分(LiF、Li2CO3)为主。此结构不同于常规电化学反应体系下金属锂表面形成的马赛克结构。该双层界面膜可以通过预先形成均匀的沉积形核位点来实现锂的柱状沉积。常规马赛克界面膜锂沉积为灰黑色,而本研究提出的双层膜保护的金属锂沉积物呈现天蓝色(图2)。将该具有保护层的锂片用于锂锂对称电池、三元镍钴锰(NCM)金属锂电池,发现金属锂负极的循环寿命和电池稳定性得到显著提升;双层膜保护的金属锂电极表面的沉积形貌光滑、致密、金属锂沉积均匀。这说明双层膜有效保护了金属锂,能抑制枝晶的形成。这对于构筑金属锂表面人工界面膜的结构设计及深入理解锂离子在不同界面膜中输运及沉积行为都具有重要参考价值。

图2 金属锂表面不同结构界面膜对于锂形核点和晶核生长的影响(a-c为双层有序结构界面膜,d-f为无序界面膜)

  黄佳琦特别研究员入职北京理工大学前沿交叉院以来,在国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京理工大学科技创新计划的资助下,主要开展能源存储材料研究。以第一作者/通讯作者身份,在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Science Bulletin等期刊发表一系列研究工作。其发表论文的总引用8000余次,h因子为51,其中29篇为ESI高被引论文。

  黄佳琦担任中国颗粒学会青年理事会理事,Journal of Energy Chemistry《能源化学》及Chinese Chemical Letters《中国化学快报》青年编委,任Advanced Functional Materials《先进功能材料》锂硫电池专刊客座编辑。入选首届中国科协青年人才托举计划,获评中国化工学会侯德榜化工科技青年奖。

  

论文链接:

  Chong Yan, Xin-Bing Cheng, Yang Tian, Xiang Chen, Xue-Qiang Zhang, Wen-Jun Li, Jia-Qi Huang, Qiang Zhang, Dual-Layered Film Protected Lithium Metal Anode to Enable Dendrite-Free Lithium Deposition, Advanced Materials, 2018, 30, 1707629, DOI: 10.1002/adma.201707629

  https://doi.org/10.1002/adma.201707629


(审核:王博)

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