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蘇州納米所在高性能鋰金屬電池研究中取得進(jìn)展

儀表研發(fā) 2020年12月24日 09:18:49來(lái)源:儀表網(wǎng) 22189
摘要在眾多負(fù)極中,金屬鋰負(fù)具有高的理論比容量和低的電極電勢(shì)。然而,壽命短和穩(wěn)定性差等問(wèn)題阻礙其商業(yè)化進(jìn)程。

  【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】便攜式智能器件與長(zhǎng)續(xù)航電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展,對(duì)可充電的二次電池的能量密度提出了更高的要求。當(dāng)鋰負(fù)極與硫正極相匹配時(shí),組成鋰硫電池的容量高達(dá)2600 Wh kg-1,這將適用于未來(lái)高能量密度需求的電動(dòng)汽車(chē)。在前期的硫正極研究中,從納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面功能化出發(fā),制備出不同的活性納米催化劑復(fù)合材料,并選用原位光譜手段探究其相關(guān)作用機(jī)制。
 
  在眾多負(fù)極中,金屬鋰負(fù)具有高的理論比容量和低的電極電勢(shì)。然而,壽命短和穩(wěn)定性差等問(wèn)題阻礙其商業(yè)化進(jìn)程。金屬鋰負(fù)極面臨挑戰(zhàn):電化學(xué)形成的固態(tài)電解質(zhì)中間相(SEI)的脆性與疏松性,使金屬鋰發(fā)生不均勻沉積與溶解,終形成枝晶;體積膨脹引起的電極結(jié)構(gòu)變形和粉化。這些問(wèn)題并非相互獨(dú)立,而是內(nèi)在關(guān)聯(lián)的。
 
  針對(duì)上述問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所教授張躍鋼與研究員藺洪振團(tuán)隊(duì),從表面功能化角度出發(fā),在金屬鋰表面制備出有序結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無(wú)機(jī)SEI層,并選用原位和頻振動(dòng)光譜手段研究其相關(guān)作用機(jī)制。
 
  不同于常規(guī)的無(wú)序結(jié)構(gòu)或單一組分SEI的負(fù)極,研究利用高反應(yīng)活性Pyr13FSI離子液體在鋰金屬表面自組裝形成有序結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無(wú)機(jī)SEI層,通過(guò)界面選擇性和頻振動(dòng)光譜(SFG)、X射線光譜(XPS)及原子力譜(AFM)表征了有序結(jié)構(gòu)中有機(jī)層與無(wú)機(jī)層的存在。
 
  在電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中,選用前期課題組報(bào)道的LiFSI基醚類(lèi)電解液體系,預(yù)處理的鋰金屬電極在高達(dá)10 mA cm-2的條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆性與穩(wěn)定性,即便在3 mA h cm-2的大沉積溶解容量下也保持著高庫(kù)侖效率,這些電化學(xué)結(jié)果優(yōu)于多數(shù)報(bào)道的文獻(xiàn)。循環(huán)后的SEM圖顯示,預(yù)處理的金屬鋰表面光滑平整,而原始鋰片則形成眾多的裂痕與粉化。
 
  進(jìn)一步,該團(tuán)隊(duì)選用自主設(shè)計(jì)與研發(fā)的原位電化學(xué)和頻振動(dòng)光譜技術(shù),原位SFG測(cè)試結(jié)果顯示有序有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化SEI層阻礙了溶劑分子在金屬鋰表面的吸附,對(duì)抑制鋰枝晶形成的具有優(yōu)勢(shì)。
 
  相關(guān)研究成果以In-situ self-assembly of ordered organic/inorganic dual-layered interphase for achieving long-life dendrite-free Li metal anodes in LiFSI-based electrolyte為題,發(fā)表在Advanced Functional Materials上,蘇州納米所博士王健為論文第一作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及德國(guó)Alexander von Humboldt Foundation(德國(guó)洪堡基金會(huì))等的支持。

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