崔屹

Department of Materials Science and Engineering, Stanford University, California 94305, USA.

梯度親鋰-憎鋰保護(hù)膜修飾鋰金屬負(fù)極示意圖。

金屬鋰(Li)具有非常高的理論比容量(3860 mAh·g-1)和最負(fù)的電勢(shì)(-3.040 V vs標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，有望作為下一代高能量密度電池的負(fù)極材料用于電動(dòng)汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)1,2。然而，在鋰離子反復(fù)沉積和析出過(guò)程中，金屬鋰負(fù)極表面容易生長(zhǎng)出鋰枝晶，并發(fā)生粉化，消耗大量的電解液，極大降低了電池的利用率，造成安全隱患，縮短電池使用壽命，從而限制了鋰金屬電池的進(jìn)一步應(yīng)用3-7。在大量抑制鋰枝晶的方法中，構(gòu)筑穩(wěn)定的金屬鋰保護(hù)界面是直接有效的方法8,9。然而，此類界面層的設(shè)計(jì)目前還處于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的摸索階段，其作用機(jī)制、構(gòu)效關(guān)系迄今尚未得到系統(tǒng)深入研究。

最近，軍事科學(xué)院防化研究院張浩博士與武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授、趙焱教授等發(fā)現(xiàn)，憎鋰的表面特性、較大的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的Li離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)是構(gòu)建金屬鋰界面保護(hù)層的三個(gè)必要條件。基于此，他們利用親鋰-憎鋰的梯度策略構(gòu)建了鋰金屬保護(hù)界面層，有效地抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)，該研究工作近期已在Nature Communications上在線發(fā)表10。這種梯度膜由親鋰的氧化鋅/碳納米管底層，憎鋰的純碳納米管頂層，以及中間過(guò)渡層有機(jī)地構(gòu)成。其中，親鋰的底層與金屬鋰負(fù)極緊密結(jié)合，可促進(jìn)形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)，抑制金屬鋰和親鋰層間形成鋰枝晶或苔蘚狀鋰；頂層的憎鋰層因具有較大的模量可以抑制鋰枝晶的進(jìn)一步生長(zhǎng)，其多孔結(jié)構(gòu)又能確保鋰離子的快速傳輸，而中間的緩沖層可以防止因親鋰、憎鋰的突然轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生明顯的分層，從而確保金屬鋰負(fù)極的超長(zhǎng)穩(wěn)定循環(huán)特性。此項(xiàng)研究同時(shí)證明，該梯度層構(gòu)筑策略在銅集流體、10 cm2的軟包電池和鋰硫電池上都有著顯著的性能增強(qiáng)效果。另外，該梯度策略不僅僅適用于碳基材料的保護(hù)層，還適用于聚合物等其它各種材質(zhì)的保護(hù)層，且工藝簡(jiǎn)單，有較好的工業(yè)化前景，有望促進(jìn)安全鋰金屬電池的快速發(fā)展。