當(dāng)前位置: 電池聯(lián)盟網(wǎng) > 前沿 >

寧波材料所在高比能鋰金屬負(fù)極保護(hù)方面取得系列進(jìn)展

時(shí)間:2020-05-26 09:18來源:寧波材料技術(shù)與工程研究所 作者:綜合報(bào)道
點(diǎn)擊:
圖1 基于(a)銀-氟化鋰人工界面,(b)富LixAl位點(diǎn)鋁基宿主結(jié)構(gòu)和(c)少層石墨烯-三維儲鋰結(jié)構(gòu)的鋰金屬負(fù)極保護(hù);(d)對鋰穩(wěn)定的新型腈類電解液
 
  針對能源儲存應(yīng)用迫在眉睫的問題,開發(fā)高能量密度電池體系成為過去20年科研界及工業(yè)界關(guān)注的重要課題。鋰金屬是鋰電池負(fù)極的“圣杯”材料,具有超高的比容量(3860 mAh g-1)和最低的氧化還原電勢(-3.040V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極),在未來高能量密度儲能體系(全固態(tài)鋰電池、鋰硫、鋰氧電池)中扮演著重要角色。目前,以鋰金屬為負(fù)極、三元高鎳材料為正極的液態(tài)鋰二次電池是實(shí)現(xiàn)500 Wh kg-1中短期儲能目標(biāo)的最佳候選材料之一。然而,鋰金屬與應(yīng)用最為廣泛的碳酸酯類電解液熱力學(xué)不匹配,動力學(xué)性能較差,極易在鋰金屬負(fù)極表面形成物理化學(xué)不穩(wěn)定的界面膜(Solid Electrolyte Interphase,SEI膜),加速鋰枝晶生長和界面副反應(yīng),尤其在高倍率循環(huán)條件下失效更為嚴(yán)重。因此,開發(fā)鋰金屬負(fù)極保護(hù)技術(shù),同時(shí)尋找動力性能優(yōu)異且與鋰金屬負(fù)極穩(wěn)定的電解液是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。針對以上問題,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所新型儲能材料與器件團(tuán)隊(duì)長期以來進(jìn)行了大量的界面保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),已在前期取得了一定進(jìn)展(Nano Energy 2017, 39, 662-672;Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805638;Nano Energy 2019, 59, 110-119;Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1802912)。在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)基于鋰金屬負(fù)極的界面循環(huán)機(jī)理開展了更深入的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究,并在近期取得了一系列進(jìn)展。
 
  負(fù)極保護(hù)技術(shù)方面,研究團(tuán)隊(duì)與美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory)教授張繼光、許武課題組共同合作,基于一種簡單有效的離子置換反應(yīng)在鋰金屬表面制備了一種銀-氟化鋰人工界面(圖1a)。鋰離子在銀顆粒表面具有較高的吸附能,可有效降低鋰離子在還原過程中的傳質(zhì)能壘,由此獲得的鋰金屬成核過電勢為2.2 mV,僅為其在常規(guī)鋰負(fù)極表面沉積過電勢的3%,可實(shí)現(xiàn)鋰金屬在沉積過程中的有序成核,避免局部的枝晶生長。得益于銀顆粒-氟化鋰交聯(lián)的人工界面層的保護(hù),在使用常規(guī)碳酸酯電解液的情況下,以1.8 mAh cm-2三元材料(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)為正極的鋰金屬二次電池實(shí)現(xiàn)了500周以上的穩(wěn)定循環(huán),在第500周時(shí)的容量保持率高于80%。值得指出的是,此類保護(hù)方法同樣適用于其它堿金屬的負(fù)極保護(hù),其中對于鈉金屬負(fù)極的有效保護(hù)也在本工作中得到證實(shí)(Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901764)。團(tuán)隊(duì)還與法國歐洲膜材料研究所(Institut Europeen des Membranes)合作,通過升溫過程中硅鋁合金中的體相共晶轉(zhuǎn)變,獲得了一種Al2O3-SiO2的核殼結(jié)構(gòu)(圖1b),并基于此結(jié)構(gòu)特殊的界面和體相成分,在鋰化過程中快速形成了具有大量LixAl位點(diǎn)的鋁基宿主結(jié)構(gòu)用于高效存儲鋰金屬,并與負(fù)載量高達(dá)4.5 mAh cm-2的過度金屬氧化物正極構(gòu)筑了穩(wěn)定的鋰金屬全電池(Nano Energy 2020, 73 , 104746)。此外,團(tuán)隊(duì)人員還與江西理工大學(xué)教授歐陽楚英團(tuán)隊(duì)合作,發(fā)現(xiàn)在石墨烯表面容易沉積一層金屬鋰,且對后續(xù)沉積反應(yīng)具有電子擾動作用,使得鋰金屬沉積極化顯著增高,迫使鋰離子通過缺陷沉積于石墨烯底層,原位形成人工SEI膜(圖1c)。基于此理論認(rèn)識開發(fā)的少層石墨烯-三維儲鋰結(jié)構(gòu),不僅能夠顯著提高液態(tài)電解質(zhì)下鋰金屬的循環(huán)穩(wěn)定性,還能夠改善硫化物固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬的界面穩(wěn)定性(Adv. Sci. 2020, 2000237)。
 
  電解液方面,腈類有機(jī)溶劑氧化窗口可達(dá)~5V,可覆蓋現(xiàn)有主流電池材料的工作電壓窗口,且介電常數(shù)高、粘稠度低、解離效果好,可形成動力性能極佳的電解液體系,已被廣泛應(yīng)用于超級電容器。但是腈類溶劑極度腐蝕鋰金屬,一直無法被應(yīng)用于鋰金屬電池。近期,團(tuán)隊(duì)與美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室張繼光、許武課題組共同合作,首次開發(fā)出了應(yīng)用于高比能鋰金屬電池的腈類高鹽濃度電解液(圖1d)。此類高鹽濃度電解液不但兼具了腈類溶劑的高氧化穩(wěn)定性,同時(shí)對鋰金屬的庫倫效率可達(dá)99.2%以上,且具有優(yōu)異的大電流性能,能在4 mA cm-2的電流密度下實(shí)現(xiàn)致密的鋰金屬沉積。使用腈類高鹽電解液,可實(shí)現(xiàn)高負(fù)載(2 mAh cm-2以上)4.5V鋰金屬電池的穩(wěn)定循環(huán)(Adv. Funct. Mater. 2020, 2001285)。
 
  以上工作獲得寧波市2025項(xiàng)目(2018B10061)以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFB0905400)的支持。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
免責(zé)聲明:本文僅代表作者個人觀點(diǎn),與中國電池聯(lián)盟無關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本網(wǎng)證實(shí),對本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實(shí)性、完整性、及時(shí)性本站不作任何保證或承諾,請讀者僅作參考,并請自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。
凡本網(wǎng)注明 “來源:XXX(非中國電池聯(lián)盟)”的作品,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的,請?jiān)谝恢軆?nèi)進(jìn)行,以便我們及時(shí)處理。
QQ:503204601
郵箱:cbcu@cbcu.com.cn
猜你喜歡
專題
相關(guān)新聞
本月熱點(diǎn)
歡迎投稿
聯(lián)系人:王女士
Email:cbcu#cbcu.com.cn
發(fā)送郵件時(shí)用@替換#
電話:010-53100736
在線投稿
企業(yè)微信號
微信公眾號