【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近年來，鋰離子電池在便攜式電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，商業(yè)化的鋰離子電池普遍使用石墨作為負(fù)極，理論比容量僅為372 mAh g-1，難以滿足電動車與便攜電子設(shè)備快速發(fā)展的需求。因此，需要開發(fā)容量更高的材料來代替石墨。現(xiàn)有的負(fù)極材料中，鋰金屬具有最高比容量(~3860 mAh g-1)和最低氧化還原電位等優(yōu)點(diǎn)。采用鋰金屬負(fù)極替換石墨負(fù)極，將使得現(xiàn)有鋰二次電池的能量密度大幅提升，但鋰金屬電池的發(fā)展受到鋰金屬負(fù)極界面不穩(wěn)定性這一難點(diǎn)的制約。
 

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心前沿材料研究部研究員白朔、沈陽材料科學(xué)國家研究中心先進(jìn)炭材料研究部研究員李峰，聯(lián)合季華實(shí)驗(yàn)室研究員譚軍，并得到前沿材料研究部研究員邰凱平在飛秒激光加工方面的協(xié)助，在鋰金屬電化學(xué)沉積及界面反應(yīng)調(diào)控方面取得了進(jìn)展。
 

　　科研人員考慮到銅箔具有良好的導(dǎo)電性、較低的成本和成熟的制備工藝，是常用的鋰金屬電池負(fù)極集流體。然而，在高電流密度下，銅箔表面鋰金屬沉積/剝離過程的庫倫效率低且不穩(wěn)定。此外，鮮有關(guān)于銅箔表面初始鋰核分布狀態(tài)對生長行為影響的研究。采用飛秒激光來改變銅表面形態(tài)和式樣是調(diào)控銅表面金屬鋰形核能壘分布以及鋰離子吸附狀態(tài)的有效手段。因此，研究人員提出利用飛秒激光在銅表面加工出有序的親鋰微槽來誘導(dǎo)金屬鋰的有序致密沉積，使得鋰金屬負(fù)極在高電流密度下的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著提高。
 

　　為了進(jìn)一步調(diào)控銅基體表面與電解液界面之間鋰離子輸運(yùn)動力學(xué)和陰離子界面反應(yīng)效率，該研究提出利用功能微陣列選擇性調(diào)控電解液中離子溶劑化結(jié)構(gòu)空間分布。該工作使用具有強(qiáng)負(fù)電官能團(tuán)的納米羥基磷灰石來吸附鋰離子，進(jìn)而形成了局部高濃度的鋰離子溶劑化區(qū)域，使得陰離子有效進(jìn)入電雙層并吸附在內(nèi)亥姆霍茲層與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，顯著提高了負(fù)極界面無機(jī)組分的轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)了高電流密度下無鋰負(fù)極穩(wěn)定長循環(huán)。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Small(2023, 19, 2206000)和Advanced Materials(DOI：10.1002/adma.202306553)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等的支持。
 

圖1. 飛秒激光親鋰銅微陣列誘導(dǎo)有序致密金屬鋰沉積示意圖
 

圖2. 納米羥基磷灰石微陣列對負(fù)極側(cè)陰離子還原反應(yīng)效率的影響