化學(xué)系夏永姚教授在金屬鋰負(fù)極方向取得重要進(jìn)展
電動(dòng)出行領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)下一代高能量密度儲(chǔ)能電池有著迫切的需求。金屬鋰具有很高的理論能量密度（3860mAhg-1），較低的電極電勢(shì)（-3.04V vs 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）和較低的密度（0.59g cm-3），因此是理想的鋰金屬電池負(fù)極材料。但是金屬鋰負(fù)極在充放電過(guò)程中存在三個(gè)主要問(wèn)題：1）枝晶生長(zhǎng)；2）極高的化學(xué)反應(yīng)活性；3）沉積溶解過(guò)程中體積變化，一直影響著金屬鋰電池的實(shí)際應(yīng)用。
針對(duì)金屬鋰存在的問(wèn)題，有兩種主要的解決方案。一種是金屬鋰負(fù)極保護(hù)，主要是針對(duì)鋰金屬枝晶生長(zhǎng)和高反應(yīng)活性等問(wèn)題，在金屬鋰表面生成人工固體電解質(zhì)膜，只允許鋰離子穿過(guò)，同時(shí)阻擋電解液和金屬鋰直接接觸反應(yīng)，另外這層固體電解質(zhì)膜還能抑制金屬鋰枝晶的生長(zhǎng)。另一種方法是三維結(jié)構(gòu)集流體用于鋰沉積，主要可以解決金屬鋰枝晶生長(zhǎng)和體積變化的問(wèn)題。三維結(jié)構(gòu)具有很高的比表面積，可以有效降低實(shí)際電流密度，從而實(shí)現(xiàn)均勻鋰沉積（無(wú)枝晶）?？v觀各類已經(jīng)報(bào)道過(guò)的研究工作，大家都著只能從金屬鋰存在的兩方面問(wèn)題出發(fā)，實(shí)際上很少研究從金屬鋰存在的三個(gè)問(wèn)題同時(shí)入手。
近期，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系的夏永姚、王永剛教授研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題，考慮到在金屬鋰研究和應(yīng)用中固體電解質(zhì)膜的重要作用，作為化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定的LLZTO固體電解質(zhì)，又是優(yōu)異的鋰離子導(dǎo)體，可以作為金屬鋰負(fù)極保護(hù)的人工SEI膜。基于以上的可行性分析，將固相反應(yīng)法合成的LLZTO粉末超聲分散在異丙醇中，然后滴在銅箔上，進(jìn)而真空80攝氏度真空干燥，得到Cu foil-LLZTO電極。然后在將Cu foil-LLZTO電極片在氬氣氣氛保護(hù)下900攝氏度燒結(jié)4小時(shí)，得到Cu foil-LLZTO-900。
通過(guò)對(duì)半電池的研究，Cu foam-LLZTO-900電極用于鋰沉積具有優(yōu)異的性能。我們通過(guò)預(yù)沉積鋰的Cu foam-LLZTO-900電極和磷酸鐵鋰組裝全電池，進(jìn)一步研究了其實(shí)際的應(yīng)用。全電池結(jié)果表明，Li@Cu foam-LLZTO-900負(fù)極相比于鋰片具有更小的極化和更加優(yōu)異的穩(wěn)定性，其全電池的容量保持率也更高。除此之外，我們也研究了Li@Cu foam-LLZTO-900負(fù)極在鋰氧電池中的應(yīng)用，組裝的鋰氧電池可以穩(wěn)定循環(huán)100圈以上。
我們?cè)诒疚闹凶C明了通過(guò)高溫?zé)Y(jié)將人工SEI膜固定在集流體上用于鋰沉積的新方法。人工SEI膜可以減少電解液和金屬鋰的接觸，抑制金屬鋰枝晶生長(zhǎng)，提高循環(huán)壽命和庫(kù)倫效率。三維泡沫銅可以有效降低實(shí)際電流密度，提供金屬鋰沉積的空間，進(jìn)而抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。而且人工SEI膜和三維泡沫銅的結(jié)合作用可以耐受金屬鋰沉積溶解帶來(lái)的體積變化，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的鋰負(fù)極?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，將人工SEI膜固定在三維泡沫銅上可以有效提高金屬鋰負(fù)極性能，包括長(zhǎng)壽命、高倍率、大沉積量和高庫(kù)倫效率。
這一研究工作發(fā)表在德國(guó)應(yīng)用化學(xué)（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2093-2097），文章的第一作者為復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系的碩士研究生李潘龍。該工作得到了復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。
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