崔屹PNAS: 一種將納米鋰金屬嵌入離子型導電固體基質中制備出的三維穩定的鋰金屬負極

【引言】

近些年來，隨著鋰電池應用的規模不斷擴大，人們對鋰電池負極材料的研究也不斷的深入。目前可用于鋰電池負極的材料主要有硅、錫和金屬鋰。其中金屬鋰具有最低的電化學勢能和最高的理論比容量，引起了科研界和工業界極大的關注。然而，鋰金屬負極在使用過程中會出現枝晶的過度生長和電池形狀尺寸變化的情況，這會引發電池使用的安全問題，同時，在使用過程中還會出現一些副反應以及鋰本身有限的能量輸出都會限制鋰電池的實際應用。如何開發出一種安全、穩定、高效的負極材料，是提高鋰電池實用性的技術方向之一。

【成果簡介】

近日，來自斯坦福大學材料科學與工程系、斯坦福材料與能源科學研究所的崔屹教授在國際期刊PNAS上發表一篇題為“Three-dimensional stable lithium metal anode with nanoscale lithium islands embedded in ionically conductive solid matrix”的研究論文。研究人員用一種簡易的化學合成法將納米級鋰金屬嵌入導電固體基質中制備出三維穩定的傳導鋰離子的納米復合電極（LCNE），并用實驗證明了這種結構的電極很小的體積變化和大大減少的副反應，這種方法也成功解決了枝晶增大的問題，為設計鋰金屬負極開創了一種新的設計思路。

【圖文導讀】

圖1 電極的制備過程和鋰離子的嵌入/脫嵌行為

?A）開放結構的鋰金屬結構；

B）LCNE電極與SEI膜的結構示意圖；

C-E）初始、鋰離子脫嵌和鋰離子嵌入到 LCNE的數碼照片圖像(容量為8 mAh/cm²)；

F-G）相應的初始、鋰離子脫嵌和鋰離子嵌入到 LCNE的的SEM圖

I-J）分別表示初始、脫嵌、嵌入的LCNEs橫截面的SEM圖。

以上實驗的電流密度固定在1mA/cm²。

圖2 鋰箔與LCNEs在循環測試后鋰離子沉積行為（SEM圖）

?A）鋰箔在20次循環測試后鋰離子沉積的低倍率的SEM圖；

B）鋰箔在20次循環測試后鋰離子沉積的SEM圖；

C）LCNEs在20次循環測試后鋰離子沉積的低倍率的SEM圖；

D）LCNEs在20次循環測試后鋰離子沉積的SEM圖。

以上實驗的電流密度固定在1mA/cm²，面積容量固定在1mAh/cm²。

?圖3 LCNE上鋰脫嵌/嵌入的電化學特性和機理圖

A） LCNE組成的對稱電池在前12h的Nyquist圖；

B）Li箔組成的對稱電池在前12h的Nyquist圖；

C）在第一次電流周期中典型的脫嵌/嵌入電壓特性圖；

D）初始脫嵌/嵌入能壘示意圖；

E）對稱電池在第1、2、10和100次循環的電壓特性圖。

以上實驗的電流密度固定在1mA/cm²，面積容量固定在1mAh/cm²。

圖4 對稱電池的電化學性能測試

?A）不同速率（0.5-5mA/cm²）下Li箔與LINE對稱電池電池的電壓曲線；

B）在1-10mA/cm²電流密度下的循環穩定性。

圖5?不同鋰電極的Li–S電池容量的測試

A）LINE作為負極在不同電流密度下的電壓與比容量之間的關系；

B）Li箔作為負極在不同電流密度下的電壓與實際容量之間的關系；

C）不同倍率情況下的容量保持率。

【總結】

這項工作中，研究人員通過將鋰嵌入導電固體基質（Li_xSi–Li₂O）制備出穩定三維鋰金屬負極，實驗表明這種復合電極在提高鋰離子傳導性的同時又能有效的保護嵌在基質鋰金屬不直接和電解質接觸；同時，實驗還證明這種電極材料具有低極性、穩定的循環特性和高的能量輸出。這一工作為鋰金屬負極提供了一項設計原則和材料合成策略。

文獻鏈接：Three-dimensional stable lithium metal anode with nanoscale lithium islands embedded in ionically conductive solid matrix?(PNAS, 2017, DOI:10.1073/pnas.1619489114)。

本文由材料人新能源組 Mr.Yao 供稿，材料牛編輯整理。

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