周恒輝課題組在金屬鋰保護(hù)的研究中取得系列新進(jìn)展
近年來，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于人類生活的多個方面，并在新能源產(chǎn)業(yè)特別是電動汽車領(lǐng)域展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。然而傳統(tǒng)商用的基于插層化學(xué)的鋰離子電池很難滿足動力電池高能量密度的需求，開發(fā)新型高容量、長壽命鋰電池體系迫在眉睫。與傳統(tǒng)石墨負(fù)極相比，鋰金屬負(fù)極具有高理論比容量（3860 mA h g-1）、低密度（0.59 g cm-3）和低電極電勢（-3.04V vs. H+/H2）的優(yōu)勢，一直被認(rèn)為是下一代的理想電池負(fù)極材料。然而，金屬鋰的安全性和穩(wěn)定性卻讓人們望而卻步，其不均勻的鋰沉積和在充放電循環(huán)中不斷產(chǎn)生的鋰枝晶可能刺穿隔膜導(dǎo)致電池失控，引發(fā)安全問題。研究表明，采用三維集流體與鋰金屬復(fù)合的策略和調(diào)控電解液與金屬鋰負(fù)極之間的界面是抑制鋰不均勻沉積，減緩鋰枝晶問題的關(guān)鍵。
近期，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院周恒輝老師與其指導(dǎo)的博士研究生瞄準(zhǔn)復(fù)合鋰金屬負(fù)極的制備，率先提出采用2步法化學(xué)還原的方法，將不導(dǎo)電的三維材料轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電的基體，應(yīng)用于鋰金屬負(fù)極上（Adv. Mater. Interfaces，2018, 5, 1800807）。同時，他們創(chuàng)造性地采用電沉積的策略將鋰金屬與三維集流體復(fù)合，制備出具有穩(wěn)定界面保護(hù)的復(fù)合鋰金屬負(fù)極，應(yīng)用于磷酸鐵鋰實際電池中，實現(xiàn)了在高倍率（10 C）下的穩(wěn)定循環(huán)（Energy Storage Materials，2018, 15, 249–256）。在電極與電解液界面的設(shè)計上，他們首次提出使用傳統(tǒng)的聚乙二醇小分子作為電解液添加劑，調(diào)控鋰離子在界面的分布，均勻化鋰的成核。聚乙二醇小分子可以吸附在鋰金屬電極的表面，并且與電極附近的鋰離子有效絡(luò)合，使得界面上鋰離子流分布更加均勻，實現(xiàn)鋰的均勻沉積（ACS Appl. Energy Mater.，2019, 2, 4602−4608）。
最近，他們進(jìn)一步提出使用含S共軛結(jié)構(gòu)的分子作為電解液添加劑，其中以硫脲為代表調(diào)控鋰離子在電極與電解液界面上的成核和生長，以實現(xiàn)均勻的金屬鋰沉積。硫脲分子可以吸附在Li金屬表面，促進(jìn)Li生長，通過超填充機制實現(xiàn)了高電流密度下無枝晶的鋰沉積（下圖）。作者提出的這一以促進(jìn)鋰沉積的方式去避免鋰枝晶的產(chǎn)生策略，能夠?qū)崿F(xiàn)高倍率條件下穩(wěn)定的鋰金屬嵌入和脫出，與正極材料匹配組裝全電池，表現(xiàn)出很好的大電流充放電能力和循環(huán)穩(wěn)定性。這類添加劑成本低廉，有望成為新一代動力電池電解液添加劑的有力候選。該工作近期在線發(fā)表于Adv. Mater上（Adv. Mater.，2019, 1903248）。
圖1. 理論計算和COMSOL模擬機理分析
該工作由周恒輝老師指導(dǎo)的化學(xué)院2016級博士生王騫和楊程凱博士（2019年畢業(yè)，現(xiàn)為福州大學(xué)副教授）等共同完成，北京化工大學(xué)劉文教授和防化研究院邱景義研究員為共同通訊作者。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、北大先行科技產(chǎn)業(yè)有限公司及北京化工大學(xué)等相關(guān)項目的資助。
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