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NPD结合同位素方法监测锂金属电极循环中锂空间分布

近日,清华大学材料学院李正操教授课题组与合作者在《自然·通讯》(Nature Communications)发表题为“原位监测锂金属电极循环过程中的锂空间分布”(Operando monitoring the lithium spatial distribution of lithium metal anodes)的研究论文。该研究利用核技术手段,将原位中子深度分析(Neutron Depth Profiling, NDP)与同位素方法结合,定量地解析了锂金属电池沉积/溶解过程的锂元素在空间分布的不均匀性,对安全高性能锂金属电极的开发和应用具有重要的指导意义。

NPD结合同位素方法监测锂金属电极循环中锂空间分布

图1. a. NDP探测锂金属溶解/沉积原理示意图;b. NDP原位测量锂金属溶解/沉积4个循环周期的相对锂密度与深度关系图。

        金属锂负极具有很高的理论容量(3860 mAh/g)、极低的密度(0.59 g/cm3)和最负的电势(-3.040 V vs. 标准氢电极),一直以来都被视为电池负极的理想材料。近年来,人们还提出了以锂金属为负极的多种新型电池体系,包括锂-硫电池、锂-空气电池等。这些新型电池体系的理论比容量远高于现有商业化锂离子电池体系,是最有希望的下一代高密度储能系统。然而,其循环过程中的锂枝晶生长问题严重阻碍了锂金属负极的发展:在锂金属电池循环过程中,电极表面的局部极化使锂离子不均匀沉积,生长成为锂枝晶,锂枝晶生长到一定程度后会断裂成为“死锂”,造成电池循环效率的降低;若锂枝晶不断生长,有可能刺穿隔膜,造成正负极短路,导致热失控引发的安全事故;此外,金属锂反应活性很高,极易与电解液发生反应生成非活性固态电解质界面(SEI)膜,SEI反复破裂和生长导致容量衰减。因此,如何有效抑制锂枝晶生长是实现锂金属负极安全高效应用的关键。

NPD结合同位素方法监测锂金属电极循环中锂空间分布

图2. Li density and Li-metal-plating/stripping activity by operando NDP compared with ex situ SEM.

        研究金属锂沉积/溶解过程是抑制枝晶生长的第一步;而由于电解质和集电极的存在使得金属锂沉积/溶解过程微观行为的原位监测非常困难。通过引入锂同位素6Li与NDP表征相结合,该研究实现了锂金属电池充放电过程的原位监测;深入探讨了锂金属负极锂离子的沉积/溶解行为、枝晶成核和生长机理。根据锂金属电池充放电过程中锂元素在空间分布的密度,定量地解析出电流密度、电解质浓度和循环历史等因素对锂元素不均匀分布的影响;对比库伦效率,监测得到非活性固态电解质界面膜(SEI)膜及“死锂”中锂元素分布。同时,该研究在铜集流体中观测到部分不可逆微克级的锂脱嵌现象,并结合原位XRD分析和基于第一性原理的分子动力学模拟证实铜晶界在其中占据主导作用。

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图3. 不同循环历史对Li总量的演变影响:a.原位NDP测量;b. 不同循环下监测得到的Li总量;c. 对应的库仑效率和锂沉积效率比较。

        李正操教授课题组多年来致力于核能材料与系统安全的研究。材料学院2016级博士生吕沙沙为该论文的第一作者,李正操教授和荷兰代尔夫特理工大学马尼克斯·伟芝梅克(Marnix Wagemaker)副教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中荷科技合作项目等的资助。

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04394-3

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