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“房屋架构”复合金属锂负极构筑长循环金属锂电池

Science China Press

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IMAGE: 沉积/脱出循环过程中的负极形貌演变过程示意图,(a)普通金属锂负极,(b)housed Li。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

金属锂由于其极高的理论比容量和最负的还原电位而成为下一代高比能量电池的理想负极材料。然而,金属锂负极的实用化道路却十分坎坷。一方面,金属锂面临着其自身特性所带来的内忧:锂离子的沉积与溶出会造成负极体积的巨大变化;更糟糕的是沉积过程锂枝晶的形成可能会刺破隔膜,造成巨大的安全隐患。另一方面,金属锂负极还面临着来自电解液的外患:高活泼性的金属锂与电解液易发生副反应,消耗活性物质,造成电池库伦效率下降。因此,同时解决金属锂负极的内忧与外患,是实现金属锂负极实用化的重要一步。

近期,清华大学张强教授与北京理工大学黄佳琦特别研究员(共同通讯)团队构建了一种新型的房屋架构的复合金属锂负极(命名为housed Li),即上层为固态电解质层,下层为容纳有金属锂的碳纤维骨架层,成功实现了金属锂电池的安全稳定长循环。通过对固态电解质保护层与骨架的合理设计,这种housed Li可允许电解液中的锂离子快速均匀地穿过屋顶(固态电解质层)进入屋内,而会对金属锂造成侵蚀的溶剂分子则被阻挡在屋外。内部的导电骨架结构可以提供高速的电子通道与沉积空间,助力金属锂的均匀沉积,消除锂枝晶。此外,内部骨架结构可维持负极整体的稳定性,消除体积膨胀。

将housed Li应用于磷酸铁锂(LFP)全电池中,可极大地提高金属锂电池的长循环性能。其中,扣式电池中可稳定循环500圈以上,容量保持率高于95%,软包电池(0.45 Ah)中可稳定循环80圈以上,容量保持率为85%。

综上所述,该工作通过简单的机械辊压与液相反应法获得了房屋式的复合金属锂负极,有效地抵御了电解液对金属锂的侵蚀,并抑制了沉积过程的枝晶生长与体积膨胀,这为解决金属锂负极所面临的内忧外患提供了有效的解决策略。

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该论文“Lithium–matrix composite anode protected by a solid electrolyte layer for stable lithium metal batteries”11月30日在线发表在Journal of Energy Chemistry 期刊上,第一作者为清华大学博士生沈馨与助理研究员程新兵(共同一作)。

该工作由国家重点研发计划(2016YFA0202500, 2015CB932500, 2016YFA0200102)、国家自然科学基金(21676160, 21825501, 21805161, 21808125)和中国博士后科学基金 (2017M620773, 2018M631480, BX201700125)的资助。

全文链接如下:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495618310696#!

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