1. 清新电源首页
  2. 学术动态
  3. 原创文章

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

【基本信息】

1.    作者信息:美国宾夕法尼亚州立大学(The Pennsylvania State University)高悦博士(一作)、王东海教授(通讯)等

2.    研究主题:电化学储能-电池-锂金属负极

3.    发表时间:2020年6月22日上线

 

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

【背景】

能在低温(如0到-15 °C)下正常工作的电池对于电子技术的广泛应用至关重要。在追求电池更高能量密度的当下,备受瞩目的锂金属电池自然成为低温高能量密度电池的候选者。然而,锂金属电池本就不稳定的缺点在低温下“雪上加霜”。这是因为低温改变了受动力学控制的界面反应路径,导致所形成的固态电解质界面膜(SEI)结晶性高、对锂金属表面的钝化效果减弱,难以抑制锂枝晶生长。

 

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

【工作要点】

本文报道了一种在铜箔集流体上覆盖一层1,3-苯二磺酰氟(EAM)单分子膜实现锂金属电池在低温下稳定循环的方法(图1)。EAM在锂金属沉积的过程中会原位产生LiF,在SEI中形成一层富LiF的内膜。这层内膜促进形成了具有内结晶-外无定形的双层结构SEI。与在裸露的铜箔上形成的高结晶性SEI不同, EAM诱导形成的SEI对锂枝晶生长和电解液的持续消耗抑制作用强。界面修饰的铜箔有效抑制了锂金属在铜表面的腐蚀和锂金属电池的自放电现象,并实现了锂金属在-60到45 °C区间内的稳定沉积和锂金属电池在低温下(-15 °C)的稳定循环和快速充电。

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

图1. Li+在(a)裸露和(b)EAM覆盖的铜箔表面沉积行为示意图。图源:Nat. Energy

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

【图文分析】

为探究EAM修饰对锂金属沉积形貌的影响,作者们采用扫描电镜观察了在不同集流体上于-15 °C沉积的锂金属形貌。裸露的铜箔上沉积的锂金属为长条状枝晶(图2a),而EAM-Cu上沉积均匀(图2b)。当把EAM替换为无法形成LiF的苯亚磺酸锂后,锂枝晶仍然形成(图2c)。该结果表明LiF是抑制锂枝晶形成的关键成分。此外,作者们还将EAM用于修饰三维大孔铜集流体,同样条件下锂金属仍然保持均匀沉积(图2d-f)。

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

图2. 锂金属在不同基底上沉积形貌的扫描电镜图像。图源:Nat. Energy

与在裸露铜箔上的SEI由大量高结晶度的Li2O和Li2CO3不同(图3a),EAM诱导产生的SEI结构出现多层:内层近金属锂表面区域分布连续的LiF结晶,外层为非晶;两层之间的过渡区仍有LiF(图3b)。元素表征(图3c-e)和高分辨透射电镜(图3f)均验证了EAM-铜箔上SEI的这种成分分布。此外,X射线光电子能谱(XPS)表明,裸露铜的SEI成分在室温下(图4a)和-15 °C下(图4b)完全不同,证实了低温会改变SEI成分结构。而在-15 °C下, EAM诱导产生的SEI(图4c)包含更多的LiF。鉴于这些发现,作者认为EAM-SEI的富LiF内层是维持其自身稳定、抑制锂枝晶生长的关键。同时,稳定的SEI还能减少电解液的不必要消耗,这点可从图4c中极弱的来自来自电解质的P 2p信号看出。

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

图3. EAM-Cu上锂金属表面SEI的成分结构。

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

图4. 不同温度下铜箔集流体上沉积的锂金属表面SEI元素表征。

是骡子是马,拉出来遛遛。EAM-Cu果然不负众望,在Li | Cu电池(图5a、b)和Li | LiCoO2(图5c)电池中稳定性都完爆未经修饰的铜箔集流体。含EAM-Cu的Li | LiCoO2电池电容量在-15 °C和25 °C交替工作、连续充放电200圈后未见明显衰减(图5d)。分子动力学模拟及定量核磁共振实验均验证了电池的稳定性与稳定的SEI相关,不再赘述。

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

图5. 装有EAM-Cu集流体的电池中电化学稳定性性能。

【原文链接】

更多细节请见原文:

Yue Gao et al. Low-Temperature and High-Rate-Charging Lithium Metal Batteries Enabled by An Electrochemically Active Monolayer-Regulated Interface, Nat. Energy., 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0640-7.

笔者对文章一作高悦博士对本报道的悉心审阅表示感谢。

 锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

清新电源投稿通道(Scan)

锂金属电池低温稳定运行?铜箔界面修饰搞定!

本站非明确注明的内容,皆来自转载,本文观点不代表清新电源立场。

发表评论

登录后才能评论