引言

金屬鋰因其超高的理論比容量(3860 mAh g-1)和超低的電位(-3.040V vs. SHE)被認為是下一代高比能金屬鋰電池負極材料的最佳選擇。然而，其充放電過程中不可控的鋰枝晶生長以及由此引起的循環(huán)穩(wěn)定性差、庫倫效率低和安全隱患高等系列問題，嚴重制約金屬鋰電池的商業(yè)化進程。在眾多解決方案之中，利用具有微納孔隙的多孔介質(如無機固態(tài)電解質、涂覆隔膜、多孔中間層等)來抑制電沉積過程中的枝晶生長被認為是最簡單有效的。然而，相應實驗結果背后的共性基礎問題尚未引起關注，因此難以從根本上解決枝晶生長問題。

成果簡介

近日，西北工業(yè)大學納米能源材料研究中心魏秉慶教授、謝科予教授研究團隊在納米材料領域權威期刊Nano Letters上發(fā)表了題為“Suppressing Dendritic Lithium Formation Using Porous Media in Lithium Metal Based Batteries”的論文。他們通過理論計算證明了多孔介質的曲折孔隙是實現(xiàn)非樹枝狀Li生長的關鍵。一方面，曲折的孔隙大大減少了Li+向負極移動的局部離子流量; 另一方面，它們有效地延伸了枝晶生長的物理路徑。基于這一理論探索，合成了一種新型多孔α-Si3N4亞微米線膜，將其覆蓋在傳統(tǒng)負極集流體銅箔表面，可以實現(xiàn)鋰金屬的均勻沉積。將多孔α-Si3N4亞微米線膜應用于Li | Li對稱電池體系，取得了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，電池可以連續(xù)運行超過3000小時而沒有任何短路跡象。這一研究結合理論計算與實驗結果，闡明了金屬鋰電沉積過程中多孔介質內部局部離子流量和孔道結構對鋰枝晶抑制效果的作用規(guī)律，揭示了多孔介質中鋰枝晶抑制的普適原理，為研究開發(fā)更安全、更耐用的新一代金屬電池(Li，Na，K，Al等電池)提供了理論指導。

圖文導讀

圖1 Li在多孔介質 (a, c, e) 和無多孔介質 (b, d, f) 中的生長模擬

圖2 引入α-Si3N4亞微米線膜的銅箔(a, c, d, g, h)和普通銅箔(b, e, f, i, j)上Li沉積形貌

圖3 引入α-Si3N4亞微米線膜的銅箔和普通銅箔電化學性能對比

圖4 LiFePO4| Li電池中引入α-Si3N4亞微米線膜和未引入α-Si3N4亞微米線膜的電化學性能對比及對應鋰負極形貌