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清华大学杨诚团队在锂金属负极上获得突破进展

梯度导电骨架助力锂金属自下而上稳定沉积

梯度导电骨架助力锂金属自下而上稳定沉积

引  言

锂金属负极因其高比容量和低氧化还原电位的优点,近年来受到研究者的广泛关注。然而不可控的锂枝晶生长及相应的安全问题阻碍了锂金属负极的实际应用与发展。研究者为此提出了不同的解决方法。其中,构筑三维骨架是一种抑制锂枝晶生长的有效方法,但是更加理想的情况是实现稳定可控的金属锂沉积和溶解过程,从而真正能有效利用骨架的三维空间。

成果简介

近日,清华大学深圳研究生院杨诚课题组在锂金属负极领域再获新成果。他们通过在多孔绝缘骨架表面引入厚度呈现梯度变化的金属镍薄层,制备获得了一种梯度导电的三维多孔骨架。该梯度导电骨架在垂直方向上具有梯度的导电性,从而诱导金属锂在骨架中实现自下而上沉积和自上而下溶解。下方远离隔膜的金属镍较厚部分为金属锂沉积提供活性位点,而上方绝缘部分的极性官能团用于稳定锂离子的浓度。同时,使用有限元模拟的方法计算了梯度导电骨架中的电场分布,进一步证明了梯度导电骨架能够实现稳定的锂金属沉积和溶解。与对照样完全导电骨架和完全绝缘骨架相比,梯度导电骨架在电流密度为8 mA cm-2的条件下仍具有95.6%的库伦效率。组装而成的对称电池在1 mA cm-2的条件下可以稳定循环780h。复合电极与商用磷酸铁锂组装成的全电池具有良好的循环稳定性和倍率性能。梯度导电骨架结构为金属锂的稳定沉积提供了新思路。

图文导读 

梯度导电骨架助力锂金属自下而上稳定沉积

图一、金属锂在不同骨架中的沉积:(a)梯度导电骨架:稳定的自下而上沉积,无枝晶生长;(b)绝缘骨架:不稳定的自下而上沉积且有枝晶生长;(c)导电骨架:金属锂优先沉积在靠近隔膜的上部,并有枝晶生成。

总  结

综上所述,文章报道了一种可实现金属锂自下而上沉积和自上而下溶解的梯度导电骨架,可有效利用三维骨架的空间结构,同时实现均匀锂金属的沉积并抑制锂枝晶的生长。通过实验和计算模拟同时证明了金属锂在梯度导电骨架中的沉积溶解行为,相关成果以题为“A conductive-dielectric gradient framework for stable lithium metal anode”的文章发表在Energy Storage Materials杂志上。

文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719308414?via%3Dihub

杨诚老师课题组简介

杨诚副研究员是清华大学深圳国际研究生院博士生导师、广东省本土创新团队核心成员、清华大学“学术新人奖”获得者、广东省“杰出青年”基金获得者。他的研究团队在新型储能器件的制备及原理研究、金属微纳结构的批量制备与应用、以及柔性传感器等领域取得了一系列重要进展,近年指导学生在Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., ACS Nano., Nano Energy.,Adv. Func. Mater.等杂志发表多篇学术论文,并与多家企业合作取得了重要的科技转化成果。详情请见课题组网站:http://www.energymaterialslab.org/

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨李婧 

主编丨张哲旭


梯度导电骨架助力锂金属自下而上稳定沉积

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