在国家自然科学基金面上项目, 中国科协青年人才托举工程和北京理工大学科技创新计划的资助下, 北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦特别研究员课题组在下一代高能量密度金属锂电池中高安全性金属锂负极研究方面取得新进展. 近期, 相关研究成果以题为 'Artificial soft–rigid protective layer for dendrite-free lithium metal anode' 于2018年1月8日在线发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 影响因子12.124).
'刚柔相济' 的复合膜对界面进行修饰后, 可有效依附于金属锂表面, 并抑制枝晶生长的示意图
金属锂凭借其极高的理论比容量(3860 mA h g−1)和最负的电极电位(−3.045 V vs. 标准氢电极)而被认为是最具有开发前景的高比能负极材料之一. 但金属锂电极的实用化受到锂枝晶生长和较低循环效率的限制. 金属锂是一种高活泼性金属, 与电解液接触时形成结构和组分复杂的固态电解质界面, 在电化学反应过程中难以维持界面的稳定. 因此, 界面处锂离子的不均匀沉积易引发针状, 树枝状, 苔藓状的锂沉积. 锂枝晶的生长一方面会刺破隔膜, 与正极接触引发电池短路, 造成安全隐患;另一方面也增大了金属锂与电解液的接触面积, 使得副反应增多, 电池的循环效率进一步下降.
为了构建稳定的金属锂/电解液界面, 调控锂的均匀沉积, 该课题组提出以无机LiF为刚性组分, 以PVDF-HFP聚合物为柔性组分来构建 '刚柔相济' 的复合膜, 以在电化学循环过程中稳定金属锂与电解液的界面. 其中, 柔性聚合物提供的柔性和可伸缩性可承受金属锂电极沉积/溶解过程中的界面波动, 而刚性组分的引入可进一步提升修饰层的机械模量, 从而抑制锂枝晶生长, 实现锂的均匀沉积. 将这种同时具有好的形变性能, 高的机械模量和离子导率的界面修饰层引入到纽扣电池中后, Li-Cu半电池, Li-Li对称电池的循环寿命以及循环稳定性都显著提升;与磷酸铁锂正极匹配的全电池测试中, 复合层修饰后的电池循环寿命提升了2.5倍.