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一种高效的稳定锂金属负极的表面修饰手段

一种高效的稳定锂金属负极的表面修饰手段

金属锂作为锂二次电池负极,兼具超高比容量和非常低的电化学电位的优点。然而,锂枝晶生长带来的安全性问题以及副反应等,很大程度上限制了锂金属负极的应用。研究表明,通过以下几种方法可以在一定程度上缓解枝晶生长等相关问题:(1) 具有较低Cs+浓度的电解质可以消耗低电流下生长的枝晶,(2)电解质添加剂、高的锂盐浓度、 预处理、人工非原位修饰等。但是,大多数在锂表面形成保护层的手段,都会造成电子/离子电导率和机械稳定性降低,而且仅在数百次的低电流循环下才有效。

在这里,加拿大滑铁卢大学Linda F. Nazar 教授课题组报道了一种非常高效的方法抑制锂枝晶——在金属Li表面通过原位形成由锂基合金(Li13In3, LiZn, Li3Bi或者Li3As)组成的表面膜,表现出较快的离子迁移速率

一种高效的稳定锂金属负极的表面修饰手段

图1. 合金保护锂金属的扫描电子显微镜和光学显微镜图像研究。a和b分别是新鲜锂金属(a)和Li13In3|Li复合负极(b)在2mAh/cm^2下的图像; Li13In3|Li复合负极在未电镀前的截面图像(c), Li13In3|Lii复合负极在2mAh/cm^2下的横截面图(d)以及相应的背散射电子模式图像(e), d和e中的红色虚线勾勒出电沉积的Li; 新鲜的锂(f)和复合Li13In3|Li电极(g)在对称透明电池光学显微图像.

一种高效的稳定锂金属负极的表面修饰手段

图2. 示意图描述了合金保护的锂箔的功能。 a, 无保护的锂箔经受枝晶生长;b,合金/LiCl保护的Li箔s上形成电位梯度的保护层(E),并且通过~10μm膜具有良好的界面增强Li+电荷转移能力,这两个因素都抑制枝晶生长;(b)中的阴影橄榄区是界面,合金相和非晶/纳米晶体LiCl相分别以橙色和浅蓝色表示.


得益于高导电性的富锂合金膜和电子绝缘的副产物LiCl二者的协同作用,该锂金属电极表现出优异的电化学性能。在2mA/cm^2下可稳定循环达700次(1400小时),并且在与Li4Ti5O12 (LTO)电极配对时,以5C倍率(1C=1Li/h)可稳定循环1500次。对循环后的材料进行非原位SEM测试,发现在合金层下发生了Li沉积现象,由此表明该方法得到的富锂合金可以有效改善锂枝晶的生成问题。

合成步骤:

锂保护电极制备:在小于1ppm氧气和湿气的氩填充手套箱中,将锂金属箔(99.9%,Aldrich)抛光至表面发光。抛光后,将锂箔浸入在含有0.167M MClx的四氢呋喃(THF)溶液中20秒(M = As,In,Zn或Bi)。从THF溶液中取出后,小心地除去锂箔上过量液体。然后将箔用THF漂洗,在室温下真空干燥两天,并切成11mm圆形,用于电化学电池中的研究。

Li13In3体相制备:铟箔和锂箔在使用前进行抛光。测量所需量的箔堆叠在一起。在12mm直径的模具中,用4吨压力压制叠层箔30分钟。所有步骤都在Ar填充的手套箱中进行。

参考文献:

Xiao Liang, Quan Pang, Ivan R. Kochetkov, Marina Safont Sempere, He Huang, Xiaoqi Sun and Linda F. Nazar, A facile surface chemistry route to a stabilized lithium metal anode, Nature Energy, 17119 (2017), DOI: 10.1038/nenergy.2017.119. 


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