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浙工大&南洋理工Science：鋰金屬電池實現(xiàn)超長壽命！

時間:2022-02-18 11:03來源:能源學人作者:Energist

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第一作者：劉育京, 陶新永, 王垚

通訊作者：陶新永，樓雄文

通訊單位：浙江工業(yè)大學，南洋理工大學

研究亮點：

1、提出了使用含有羧基的自組裝單分子層（SAM）增強鋰的剝離和沉積。SAM沉積在氧化鋁涂層的聚丙烯隔膜上，形成了富含氟化鋰的固體電解質(zhì)界面，從而促進了鋰離子的快速轉(zhuǎn)移并抑制了鋰枝晶的生長。

2、SAM賦予鋰金屬全電池在高正極負載、有限鋰和貧電解質(zhì)條件下依然具有顯著增強的可循環(huán)性。Li//SAMsC//LFP全電池在負極與正極的低容量比（N/P~3）下仍然可以保持450次以上的循環(huán)壽命，容量保持在80%以上同時平均庫侖效率高于99.9%。

主要內(nèi)容：

鋰金屬因其高比容量和低氧化還原電位而被認為是下一代鋰電池有前景的負極材料。然而，鋰負極的實際應用受到鋰枝晶生長的限制，導致鋰金屬電池的安全問題和容量快速衰減。在抑制鋰枝晶形成的努力中，固體電解質(zhì)界面(SEI)的改性或重建可能是最關鍵的，因為SEI是由鋰金屬與電解質(zhì)之間的反應自發(fā)產(chǎn)生的，負責鋰離子的傳輸和調(diào)節(jié)快速鋰生長。功能性氟化電解質(zhì)成分，如雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（LiTFSI）、雙氟磺酰亞胺鋰等，已被用于進行界面工程以調(diào)節(jié)SEI的納米結(jié)構(gòu)和化學成分。通過這些策略產(chǎn)生的SEI均被證明含有氟化鋰(LiF)的特定成分，該成分具有高界面能、高化學穩(wěn)定性和低鋰離子擴散勢壘。通常，LiF被認為是含氟電解質(zhì)成分的分解產(chǎn)物，有助于提高鋰金屬電池的循環(huán)壽命。因此，精確控制電解質(zhì)分解，特別是C-F解離化學，以構(gòu)建富含LiF的SEI是一種邏輯上可行但仍具有挑戰(zhàn)性的方法。

鑒于此，浙江工業(yè)大學陶新永教授團隊聯(lián)合南洋理工大學樓雄文教授提出使用含有羧基的自組裝單分子層隔膜，來調(diào)節(jié)電解質(zhì)降解以構(gòu)建穩(wěn)定鋰金屬電池的策略。研究人員在氧化鋁涂層的聚丙烯隔膜上了接枝了SAM，并使用各種末端官能團（X = NH₂，COOH）來引導鋰金屬的沉積。綜合分子動力學模擬和冷凍電鏡表征揭示了有序極性羧基在促進C-F鍵斷裂以產(chǎn)生富含LiF的SEI中的關鍵作用。富含LiF的SEI有利于穩(wěn)定Li/電解質(zhì)界面，從而顯著抑制鋰枝晶的形成并延長鋰金屬負極的壽命。這種基于表面化學的SAM技術為電池中不可控制的電解質(zhì)降解和SEI形成提供了解決方案。具有羧基末端的SAM對稱電池在2500小時以上的1000次循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)能力，即使電流密度和面積容量分別增加到5 mA cm^-2和5 mAh cm^-2，仍然可以穩(wěn)定循環(huán)超過600小時。使用SAM的鋰金屬全電池可穩(wěn)定循環(huán)超過1000次，容量保持率為92.8%，即使在嚴苛的條件下也表現(xiàn)出增強的可循環(huán)性。作者預計這種簡便的策略可以擴展到其他電極系統(tǒng)，通過調(diào)整SAM的分子結(jié)構(gòu)以構(gòu)建更好的能源存儲設備。

Fig. 1 | Schematic illustration of SAMs in LMBs and characterization of Al₂O₃-SAMs.

Fig. 2 | Electrochemical performances of Li–Cu half cells and simulations of the degradation mechanism of LiTFSI.

Fig. 3 | Analysis of the interfacial stability and SEI chemical composition.

Fig. 4 | Cryo-TEM visualization of the Li deposits and SEI nanostructures.

Fig. 5 | Electrochemical performance of symmetric half cells and full cells equipped with SAMs.

(責任編輯：子蕊)

文章標簽：鋰金屬電池

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