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Advanced Energy Materials:锂金属负极如何抑制枝晶?

从锂金属表面不同的形核区域为出发点,通过一个简单的表面图案化处理,使锂金属表面形成了一个网状的锂坑表面,进而通过一种类似拉链开关的机制解释了这种可循环的均匀锂坑和无枝晶形成的机制。

锂金属负极具有十倍于石墨负极的容量(3860 mAh g-1)和最负的电势,被认为是能源领域的“圣杯”。然而,锂枝晶的产生成为了锂金属基电池的可循环化应用的拦路虎。因此,如何抑制锂枝晶的产生成为了高比能量储能体系研究的热点。如何获取一层稳定的固液界面层(SEI膜)成为当前锂负极保护的普遍公认的路线之一。

获取一个坚固的SEI膜可压制住锂枝晶的形成,比如SEI膜中含有LiF、LiPO4、LiPON等。但是,正如中国古代历史典故中大禹治水所述,大禹从鲧治水的失败中汲取教训,改变了“堵”的办法,对洪水进行疏导,有效的保护了河堤,这也是古代哲学思想堵不如疏,疏不如引的由来。

Advanced Energy Materials:锂金属负极如何抑制枝晶?

基于此思想,吉林大学郑伟涛教授课题组能源表面界面研究小组张伟教授和王东博士等从锂金属表面不同的形核区域为出发点,通过一个简单的表面图案化处理,使锂金属表面形成了一个网状的锂坑表面,进而通过一种类似拉链开关的机制解释了这种可循环的均匀锂坑和无枝晶形成的机制。

如下图所示,这种拉链状的机制诠释了在锂溶解过程中,SEI膜的最小化的开启或者破裂可有效的释放应力,形成均匀的锂坑。反过来在锂沉积过程中,均匀的表面电荷分布和更低的界面能裁剪了锂沉积的过电势。

Advanced Energy Materials:锂金属负极如何抑制枝晶?——大禹有话说

进而,锂金属负极的100圈循环无明显枝晶形成,且组装的磷酸铁锂和锂铜半电池都较未改性的锂金属的性能有明显提高。该研究不仅仅从应力的释放角度提出了新的抑制锂枝晶的路线,同时也论证了如何理解锂金属表面形核和电荷均匀分布的竞争机制。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201800650)上。

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