化學系夏永姚教授在金屬鋰負極方向取得重要進展
電動出行領域的發(fā)展對下一代高能量密度儲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（-3.04V vs 標準氫電極）和較低的密度（0.59g cm-3），因此是理想的鋰金屬電池負極材料。但是金屬鋰負極在充放電過程中存在三個主要問題：1）枝晶生長；2）極高的化學反應活性；3）沉積溶解過程中體積變化，一直影響著金屬鋰電池的實際應用。
針對金屬鋰存在的問題，有兩種主要的解決方案。一種是金屬鋰負極保護，主要是針對鋰金屬枝晶生長和高反應活性等問題，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，同時阻擋電解液和金屬鋰直接接觸反應，另外這層固體電解質(zhì)膜還能抑制金屬鋰枝晶的生長。另一種方法是三維結構集流體用于鋰沉積，主要可以解決金屬鋰枝晶生長和體積變化的問題。三維結構具有很高的比表面積，可以有效降低實際電流密度，從而實現(xiàn)均勻鋰沉積（無枝晶）?？v觀各類已經(jīng)報道過的研究工作，大家都著只能從金屬鋰存在的兩方面問題出發(fā)，實際上很少研究從金屬鋰存在的三個問題同時入手。
近期，復旦大學化學系的夏永姚、王永剛教授研究團隊針對上述問題，考慮到在金屬鋰研究和應用中固體電解質(zhì)膜的重要作用，作為化學性質(zhì)和電化學性質(zhì)都很穩(wěn)定的LLZTO固體電解質(zhì)，又是優(yōu)異的鋰離子導體，可以作為金屬鋰負極保護的人工SEI膜。基于以上的可行性分析，將固相反應法合成的LLZTO粉末超聲分散在異丙醇中，然后滴在銅箔上，進而真空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下900攝氏度燒結4小時，得到Cu foil-LLZTO-900。
通過對半電池的研究，Cu foam-LLZTO-900電極用于鋰沉積具有優(yōu)異的性能。我們通過預沉積鋰的Cu foam-LLZTO-900電極和磷酸鐵鋰組裝全電池，進一步研究了其實際的應用。全電池結果表明，Li@Cu foam-LLZTO-900負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負極在鋰氧電池中的應用，組裝的鋰氧電池可以穩(wěn)定循環(huán)100圈以上。
我們在本文中證明了通過高溫燒結將人工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，提高循環(huán)壽命和庫倫效率。三維泡沫銅可以有效降低實際電流密度，提供金屬鋰沉積的空間，進而抑制鋰枝晶生長。而且人工SEI膜和三維泡沫銅的結合作用可以耐受金屬鋰沉積溶解帶來的體積變化，進而可以實現(xiàn)長壽命的鋰負極?？偨Y來說，將人工SEI膜固定在三維泡沫銅上可以有效提高金屬鋰負極性能，包括長壽命、高倍率、大沉積量和高庫倫效率。
這一研究工作發(fā)表在德國應用化學（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2093-2097），文章的第一作者為復旦大學化學系的碩士研究生李潘龍。該工作得到了復旦大學化學系、國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金的大力支持。
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