引言

金屬鋰因其超高的理論比容量(3860 mAh g-1)和超低的電位(-3.040V vs. SHE)被認(rèn)為是下一代高比能金屬鋰電池負(fù)極材料的最佳選擇。然而，其充放電過(guò)程中不可控的鋰枝晶生長(zhǎng)以及由此引起的循環(huán)穩(wěn)定性差、庫(kù)倫效率低和安全隱患高等系列問(wèn)題，嚴(yán)重制約金屬鋰電池的商業(yè)化進(jìn)程。在眾多解決方案之中，利用具有微納孔隙的多孔介質(zhì)(如無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、涂覆隔膜、多孔中間層等)來(lái)抑制電沉積過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單有效的。然而，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后的共性基礎(chǔ)問(wèn)題尚未引起關(guān)注，因此難以從根本上解決枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題。

成果簡(jiǎn)介

近日，西北工業(yè)大學(xué)納米能源材料研究中心魏秉慶教授、謝科予教授研究團(tuán)隊(duì)在納米材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Nano Letters上發(fā)表了題為“Suppressing Dendritic Lithium Formation Using Porous Media in Lithium Metal Based Batteries”的論文。他們通過(guò)理論計(jì)算證明了多孔介質(zhì)的曲折孔隙是實(shí)現(xiàn)非樹(shù)枝狀Li生長(zhǎng)的關(guān)鍵。一方面，曲折的孔隙大大減少了Li+向負(fù)極移動(dòng)的局部離子流量; 另一方面，它們有效地延伸了枝晶生長(zhǎng)的物理路徑。基于這一理論探索，合成了一種新型多孔α-Si3N4亞微米線(xiàn)膜，將其覆蓋在傳統(tǒng)負(fù)極集流體銅箔表面，可以實(shí)現(xiàn)鋰金屬的均勻沉積。將多孔α-Si3N4亞微米線(xiàn)膜應(yīng)用于Li | Li對(duì)稱(chēng)電池體系，取得了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，電池可以連續(xù)運(yùn)行超過(guò)3000小時(shí)而沒(méi)有任何短路跡象。這一研究結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，闡明了金屬鋰電沉積過(guò)程中多孔介質(zhì)內(nèi)部局部離子流量和孔道結(jié)構(gòu)對(duì)鋰枝晶抑制效果的作用規(guī)律，揭示了多孔介質(zhì)中鋰枝晶抑制的普適原理，為研究開(kāi)發(fā)更安全、更耐用的新一代金屬電池(Li，Na，K，Al等電池)提供了理論指導(dǎo)。

圖文導(dǎo)讀

圖1 Li在多孔介質(zhì) (a, c, e) 和無(wú)多孔介質(zhì) (b, d, f) 中的生長(zhǎng)模擬

圖2 引入α-Si3N4亞微米線(xiàn)膜的銅箔(a, c, d, g, h)和普通銅箔(b, e, f, i, j)上Li沉積形貌

圖3 引入α-Si3N4亞微米線(xiàn)膜的銅箔和普通銅箔電化學(xué)性能對(duì)比

圖4 LiFePO4| Li電池中引入α-Si3N4亞微米線(xiàn)膜和未引入α-Si3N4亞微米線(xiàn)膜的電化學(xué)性能對(duì)比及對(duì)應(yīng)鋰負(fù)極形貌