清华化工系张强团队合作建立保护金属锂负极的可移植界面

发布时间:2017-02-21

  金属锂以极高的容量(3860 mA h g-1)和最负的电势(-3.040 V vs. 标准氢电极)而成为储能界的“圣杯”,是下一代高能电池最有前景的负极材料之一。以金属锂为负极的锂硫电池的理论能量密度高达2600 Wh kg-1,有着巨大的产业前景。但负极枝晶生长是限制锂硫电池、锂空气电池、锂金属固态电池的共性问题。金属锂异常活泼,容易与电解液反应,引发锂离子和电子在界面处的不均匀分布,带来树枝状锂枝晶的沉积。锂枝晶一方面可能刺穿隔膜,到达电池正极造成电池短路、热失控、着火爆炸等一系列安全隐患,另一方面也会加剧金属锂和电解液的反应,导致死锂的出现,降低电池利用率和使用寿命。


在含硝酸锂和多硫化锂的醚类电解液作为诱导剂,通过电沉积在金属锂表面沉积固态电解质保护膜。所得含可移植界面膜的金属锂可以用于醚类或者酯类电解质,构筑锂硫电池或锂金属二次电池。

  为了构建稳定的固液界面,抑制枝晶生长,清华大学张强研究团队及其河南师范大学合作者采用含硝酸锂和多硫化锂的醚类电解液作为诱导剂,通过电沉积的方法预先在金属锂表面沉积一层可移植的固态电解质保护膜。含有保护膜层的金属锂可以移植到不含任何负极保护剂、添加剂的电解液中稳定利用,抑制锂枝晶形成和生长效果显著,提高了负极利用率。如果电池采用硫或者三元氧化物正极材料,分别在醚类或碳酸酯类电解液中与上述带有固态电解质界面膜的金属锂配合使用,固态电解质保护膜可以移植到新体系电池中抑制金属锂枝晶生长。这一发现为实现高能量密度、高稳定性锂硫电池、锂金属电池提供了广阔的前景。


含可移植固态电解质界面膜(SEI)的金属锂和氧化物、硫等正极在醚类或者酯类电解质中构筑多种高能量密度锂金属电池。

  另外,该项工作提供一种保护金属锂负极的新方法。通过构筑可移植固态电解质界面膜,使得本不兼容的体系可以协同作用于金属锂,有效保护金属锂表面,实现金属锂电池的稳定循环。这方法不仅适用于金属锂体系,对于锂电池和其他高能钠电池、镁电池和锌电池同样具有重要借鉴意义。

  相关工作于以《金属锂电池中的可移植固态电解质界面膜》(Implantable Solid Electrolyte Interphase in Lithium Metal Batteries)为题发表在细胞出版社的《化学》(Chem)期刊上。作为《细胞》(Cell)的姊妹刊,《化学》(Chem)是一本致力于展示基础化学及其子学科最新进展、以及应对未来全球变化的顶级学术期刊。

  该工作的通讯作者为清华大学化工系博士生导师张强,共同第一作者为清华大学博士生程新兵和河南师范大学硕士生闫崇。清华大学化工系博士生陈翔、机械系本科生管超、化工系副研究员黄佳琦(现北京理工大学教授)、化工系博士生彭翃杰、化工系博士生张睿以及河南师范大学化学系杨书廷教授是本文的共同作者。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学自主科研项目、清华大学计算平台的支持。

论文链接:http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30027-X

(转载自清华新闻网)