由于金屬鋰的高理論容量和低電位,深入研究開發可實用金屬鋰負極不僅可以直接提升電池能量密度,還可啟用大容量無鋰正極材料的應用,如空氣和硫正極等。目前金屬鋰負極的主要問題在宏觀上表現為實際工作時庫倫效率低、循環壽命短、安全性差,在微觀上表現為“死鋰”和“鋰枝晶”的出現,這歸因于金屬鋰的副反應和鋰離子的不均勻不可控沉積。
針對金屬鋰沉積不均勻不可控的問題,國內外許多著名研究小組提出了多種在一定程度上行之有效的方法,西安交通大學韓曉剛教授也在這方面進行了有益探索。最近他提出了一種或許能令人萌生啟發的解決方案。如圖1所示,首先在潔凈的銅集流體(Cu)上靜電噴涂約2微米的聚酰亞胺(PI)納米顆粒密堆層,然后在該PI密堆層上靜電紡絲約1微米的聚丙烯腈(PAN)納米纖維緊固層。設計PI密堆層從電解液中吸附鋰離子直至飽和;沉積時,吸附的鋰離子在電場作用下,順勢穿過PI顆粒間隙,均勻涌向下面的Cu集流體,得電子、成核、沉積;而PI層內的鋰離子通過吸附從電解液得到補充。這樣,鋰離子經PI密堆層的誘導得到均勻穩定沉積。PAN緊固層是為了加強PI密堆層的牢固性,防止PI納米顆粒散落。
圖1. PAN/PI/Cu電極構造示意圖
上述設計預期得到了實驗驗證。圖2中曲線數據顯示了PAN/PI/Cu與金屬鋰片組成對稱電池(起始時一極無鋰)的鋰離子沉積/剝離的循環測試結果。可以看出,相對于裸銅電極以及只有PI納米顆粒噴涂的Cu電極,設計電極在1 mA/cm2,1 mAh/cm2和2 mA/cm2,2 mAh/cm2都表現出了穩定的循環性。圖2中掃描電子顯微鏡照片從微觀上顯示金屬鋰的均勻沉積形貌,以及剝離后清晰的電極結構。基于密度泛函理論的模擬計算也證實了PI對鋰離子存在明顯的吸附作用。
圖2. 設計金屬鋰電極的沉積/剝離的循環性測試及其相應SEM圖像
該工作發表在新一期的J. Mater. Chem. A,由西安交通大學韓曉剛教授課題組完成,第一和共同第一作者分別是助理研究員沈飛博士和碩士生王凱銘。
論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta13678a#!divAbstract
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