一種梯度親鋰-憎鋰的鋰金屬負極保護策略

崔屹

Department of Materials Science and Engineering, Stanford University, California 94305, USA.

梯度親鋰-憎鋰保護膜修飾鋰金屬負極示意圖。

金屬鋰(Li)具有非常高的理論比容量(3860 mAh·g-1)和最負的電勢(-3.040 V vs標準氫電極)，有望作為下一代高能量密度電池的負極材料用于電動汽車和電網存儲1,2。然而，在鋰離子反復沉積和析出過程中，金屬鋰負極表面容易生長出鋰枝晶，并發生粉化，消耗大量的電解液，極大降低了電池的利用率，造成安全隱患，縮短電池使用壽命，從而限制了鋰金屬電池的進一步應用3-7。在大量抑制鋰枝晶的方法中，構筑穩定的金屬鋰保護界面是直接有效的方法8,9。然而，此類界面層的設計目前還處于一個經驗性的摸索階段，其作用機制、構效關系迄今尚未得到系統深入研究。

最近，軍事科學院防化研究院張浩博士與武漢理工大學麥立強教授、趙焱教授等發現，憎鋰的表面特性、較大的機械強度以及良好的Li離子擴散動力學是構建金屬鋰界面保護層的三個必要條件?；诖?，他們利用親鋰-憎鋰的梯度策略構建了鋰金屬保護界面層，有效地抑制了鋰枝晶的生長，該研究工作近期已在Nature Communications上在線發表10。這種梯度膜由親鋰的氧化鋅/碳納米管底層，憎鋰的純碳納米管頂層，以及中間過渡層有機地構成。其中，親鋰的底層與金屬鋰負極緊密結合，可促進形成穩定的固體電解質界面膜(SEI膜)，抑制金屬鋰和親鋰層間形成鋰枝晶或苔蘚狀鋰；頂層的憎鋰層因具有較大的模量可以抑制鋰枝晶的進一步生長，其多孔結構又能確保鋰離子的快速傳輸，而中間的緩沖層可以防止因親鋰、憎鋰的突然轉變而產生明顯的分層，從而確保金屬鋰負極的超長穩定循環特性。此項研究同時證明，該梯度層構筑策略在銅集流體、10 cm2的軟包電池和鋰硫電池上都有著顯著的性能增強效果。另外，該梯度策略不僅僅適用于碳基材料的保護層，還適用于聚合物等其它各種材質的保護層，且工藝簡單，有較好的工業化前景，有望促進安全鋰金屬電池的快速發展。