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锂电快报丨锂金属负极近期学术进展精选

锂电快报丨锂金属负极近期学术进展精选

BERTOLINI 等观察了锂金属和电解质的界面演变及具有不同密度和氧化态Li的区域形成,电解质分子的渗透和电子转移驱动的分解导致固体电解质膜的初始形成。模拟在没有偏置电压的情况下进行,并使用各种电解质组合物,包括高反应性溶剂(如碳酸亚乙酯)和低反应性溶剂(如1,3-二氧戊环)与1 mol/L 浓度的锂盐混合。Li的结构和氧化态遵循金属溶解过程。

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Bertolini S, Balbuena P B. Buildup of the Solid Electrolyte Interphase on Lithium-Metal Anodes: Reactive Molecular Dynamics Study[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2018, 122(20): 10783-10791.

SHI等通过将LiNO3缓慢释放到电解质中并随后分解形成Li3N 和含有氮氧化锂(LiNxOy)的保护层,从而产生可逆的、无枝晶和高密度的Li 金属沉积,可以在10 mA·h/cm2和20 mA·h/cm2 的高容量下深度循环,在商业LiPF6/碳酸酯电解液中平均库仑效率98%。

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Shi Q, Zhong Y, Wu M, et al. High-capacity rechargeable batteries based on deeply cyclable lithium metal anodes[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018: 201803634.

DENG 等用具有多孔蜂窝结构的氧化石墨烯负载金属锂作为负极。为了增强与锂的附着力,先在石墨烯表面吸附乙酸锌,烧结后变成氧化锌,利用金属锂与氧化锌的反应使锂进入到多孔结构中。相较于传统的锂箔,新型负极可以为锂的脱出和生长提供更多的反应位点,减少枝晶生长和死锂的产生,同时三维骨架可以为电极的体积膨胀提供一定的支撑。以新型负极装成的对称电池,可以在5 mA/cm2 的电流密度下循环200周,10 mA/cm2 下70周。在电容器中也能以3.75 A/g 循环4000 周保持稳定。

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Deng W, Zhou X, Fang Q, et al. Microscale lithium metal stored inside cellular graphene scaffold toward advanced metallic lithium anodes[J]. Advanced Energy Materials, 2018, 8(12): 1703152.

HAN 等在Li2S-P2S5 固体电解质中引入LiI,用于抑制锂负极的锂支晶生长。认为引入LiI 后会在锂负极的表面形成高离子导电但电子绝缘的LiI,同时可有效地提高锂负极表面的锂离子迁移率,从而抑制锂枝晶的生长。

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Han F, Yue J, Zhu X, et al. Suppressing Li Dendrite Formation in Li2S‐P2S5 Solid Electrolyte by LiI Incorporation[J]. Advanced Energy Materials, 2018: 1703644.

DENG 等提出了一种将Li 掺入商业碳纤维布(CFC)中的简单方法,通过在ZnO 修饰的CFC(CFC/ZnO)的微通道中限制Li 的剥离/沉积并通过导电碳纤维网络消散高电流密度来实现高倍率且稳定的金属Li负极。使用这种新型负极的对称电池可以在1 mA/cm2 下稳定循环超过1800 h(900次循环),甚至在5 mA/cm2 下循环320 h(800 次循环)。

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Deng W, Zhu W, Zhou X, et al. Highly Reversible Li Plating Confined in 3D Interconnected Micro-Channels towards High-Rate and Stable Metallic Lithium Anodes[J]. ACS applied materials & interfaces, 2018.

XU 等报告了一种基于多孔致密三层石榴石结构的三维(3D) 混合电子/ 离子传导框架(3D-MCF),通过带式浇铸产生,以便使用3D 固态锂金属负极。3D-MCF 通过在多孔石榴石结构上的碳纳米管(CNT)的薄形涂层实现,产生混合电子/离子导体,充当锂金属的3D 主体。通过缓慢的电化学沉积将锂金属引入3D-MCF,形成3D 锂金属负极。缓慢的锂化使锂金属阳极和石榴石电解质之间的接触有所改善。

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Xu S, McOwen D W, Wang C, et al. Three-Dimensional, Solid-State Mixed Electron-Ion Conductive Framework for Lithium Metal Anode[J]. Nano letters, 2018.

ZHAO 等使用电化学蚀刻方法,精确地刻蚀出3D 的Cu 结构,具有均匀、光滑和致密的多孔网络。这种连续结构使得3D 的Cu具有优异的力学性能和导电性。由于电流均匀分布,使得Li 金属均匀沉积,形成平整且稳定的固体电解质层,同时有效地抑制锂枝晶和死锂。

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Zhao H, Lei D, He Y B, et al. Compact 3D Copper with Uniform Porous Structure Derived by Electrochemical Dealloying as Dendrite‐Free Lithium Metal Anode Current Collector[J]. Advanced Energy Materials, 2018: 1800266.

BAI 等使用喷涂法将氧化石墨烯喷涂在金属锂箔表面原位形成石墨烯,从而抑制电化学循环过程中金属锂枝晶生长。覆盖石墨烯的金属锂电化学循环40 周所形成的“死锂”层厚度仅为未经处理的金属锂的约25%,并有效地抑制了金属锂枝晶的形成。

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Bai M, Xie K, Yuan K, et al. A Scalable Approach to Dendrite‐Free Lithium Anodes via Spontaneous Reduction of Spray‐Coated Graphene Oxide Layers[J]. Advanced Materials, 2018: 1801213.

CHOUDHURY等使用含有硅纳米颗粒的PEO和PPO聚合物制备了聚合物电解质隔膜,在这种聚合物电解质隔膜中由于硅纳米颗粒对金属锂沉积行为的改变导致金属锂沉积尺寸,形成小于500 nm 的苔藓状沉积,从而实现对金属锂枝晶生长的抑制。

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Choudhury S, Vu D, Warren A, et al. Confining electrodeposition of metals in structured electrolytes[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018: 201803385.

WEN 等使用有机官能团修饰的双通孔阳极氧化铝作为隔膜,通过改变锂离子和阴离子基团的迁移路径,部分阻挡阴离子基团和溶剂分子与金属锂负极界面接触,从而实现对金属锂枝晶生长的抑制。使用该种隔膜制备的金属锂对称电池在0.05 mA/cm2 电流密度下可稳定循环6000 次。

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Wen K, Wang Y, Chen S, et al. A Solid-Liquid Electrolyte as Nano-Ion-Modulator for Dendrites Free Lithium Anodes[J]. ACS applied materials & interfaces, 2018.

ZHANG 等报道了一种无枝晶的碱金属负极,通过将熔融的Li 或Na 注入到具有高碱润湿性的3D 骨架中而制成金属负极。在3D框架中,碳纤维(CF)为氧化还原反应提供快速电荷转移通道。并使用SnO2 涂层以改变碳骨架的润湿性能,显著改善了电化学性能和稳定性。

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Zhang Y, Wang C, Pastel G, et al. 3D Wettable Framework for Dendrite‐Free Alkali Metal Anodes[J]. Advanced Energy Materials, 2018: 1800635.

内容来源:詹元杰, 武怿达, 赵俊年, 等. 锂电池百篇论文点评 (2018.6. 1-2018.7. 31)[J]. 储能科学与技术, 7(5): 869-880.

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