清华大学张强Angew Chem：可持续固液界面膜设计助力实用锂金属电池 / 四六文摘

由 X-MOL发布于 2020-01-05

注：文末有张强教授课题组招聘启事

金属锂负极具有的高理论比容量及低还原电势，为构建下一代高比能电池体系提供了机会。其中，将金属锂负极与高电压、高比容量的镍基三元正极材料（NCM）匹配是一种具有实用化潜力的高比能锂金属电池体系之一。采用苛刻条件下，例如超薄金属锂负极（< 50 μm），高面容量正极（> 4 mAh cm⁻²）以及少量电解液（< 3 g Ah^-1）才能实现高比能锂金属电池。相比于常规温和条件，在苛刻条件下，循环过程中锂枝晶的形成和巨大的体积形变会加剧破坏固液界面膜，消耗有限的金属锂和电解液，使得锂金属电池迅速失效。所以，如何在苛刻条件下，在金属锂负极表面构筑均匀稳定的固液界面膜是一个巨大的挑战。

近日，清华大学张强教授（点击查看介绍）团队提出了一种可持续固液界面膜的设计来应对苛刻条件的挑战。可持续固液界面膜不仅要增强固液界面膜自身均匀稳定性，还要为固液界面膜的生成提供足够的前驱体。在苛刻条件下，由于锂循环容量的提升、有限的锂源、贫乏的电解液，对固液界面膜自身均匀稳定性要求更高。固液界面膜自身均匀稳定性的提升，将降低单次循环中新鲜锂和电解液的消耗量以及死锂的生成量，从而有利于电池的长期循环。为保证固液界面膜在长期循环中的相对一致性，需要持续提供前驱体，避免关键组分的耗尽。为验证上述策略的可行性，通过结合氟代碳酸乙烯酯（FEC）为共溶剂和缓释添加剂（如硝酸锂、硫酸锂）的方法构建了一种可持续固液界面膜，并在苛刻条件的纽扣和软包电池中进行验证。

在苛刻条件下，采用33 μm厚的超薄锂，4.4 mAh cm⁻²的NCM523和6.1 g Ah^-1的电解液，常规电解液（普通EC/DEC电解液）中形成的固液界面膜在Li | NCM523电池稳定循环4圈左右，而在可持续固液界面膜（FN-SEI）下电池循环150圈后的容量保持率为83%。

图1. （a）纽扣电池中温和条件和苛刻条件的对比；（b）苛刻条件下，不同固液界面膜下Li | NCM523电池的循环性能；（c-e）不同固液界面膜下Li | NCM523电池在第3和60次循环的电压-容量曲线。

锂的沉积形貌表明，本研究所得的可持续固液界面膜自身均匀性显著提升。可持续固液界面膜下锂沉积形貌以大块形式（直径25 μm）紧密排列。相比常规须状锂沉积，大块锂沉积有利于减少电解液与锂之间的副反应。循环后死锂层的厚度也体现出显著差异，可持续固液界面膜下死锂层的厚度在200次循环后最小。界面阻抗的变化呈现出类似的趋势。

图2. （a-c）不同类型的固液界面膜下锂沉积的形貌以及（d-e）循环后死锂层的厚度；（g-h）循环过程中固液界面膜中锂离子传输和电荷转移的阻力对比。

在Li | NCM523软包电池（3.5 Ah，340 Wh kg^-1）中验证可持续固液界面膜的作用。在可持续固液界面膜下，Li | NCM523软包电池能稳定循环60圈（容量保持率为90%）。

图3. （a）软包电池示意图及（b）实际光学照片；（c）软包电池的循环性能及（d）第1和50次循环的电压-容量曲线。

相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上，清华大学的博士研究生张学强与博士后李滔为文章的共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Sustainable Solid Electrolyte Interphase Enables High-Energy-Density Lithium Metal Batteries Under Practical Conditions

Xue-Qiang Zhang, Tao Li, Bo-Quan Li, Rui Zhang, Peng Shi, Chong Yan, Jia-Qi Huang, Qiang Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911724

导师介绍

张强

https://www.x-mol.com/university/faculty/21097

清华大学张强Angew Chem：可持续固液界面膜设计助力实用锂金属电池

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