构筑三维功能性宿主结构保护锂金属负极

雷克儿

锂金属电池因具有较高的能量密度有望成为新一代高能量可充电电池，然而金属锂作为锂金属电池阳极，其“无宿主”特性使其在电池充放电过程中体积无限膨胀，致使固态电解质膜（SEI膜）不断破裂，进而导致金属锂与有机电解质不断发生反应，使其持续消耗，另外，锂金属在循环过程中沉积不均匀，易产生锂枝晶，能够破坏SEI膜，甚至刺穿隔膜，不仅影响电池的循环寿命，而且还会造成短路致使电池出现安全问题。这些问题使得锂金属电池无法进行实际应用，从而限制了其发展前景。针对这一系列锂金属电池在循环过程中出现的问题，本文主要通过构筑双功能性三维宿主结构以及对其的深入探讨，以提高锂金属电池的电化学性能：1. 构筑Cu-CuxO/ND（铜-氧化铜/纳米金刚石）双功能性三维宿主结构。Cu网的三维结构不仅可以控制金属锂的“无宿主”特性，减少体积膨胀，还可以降低局部电流密度，减少锂枝晶的生成。但是Cu网的三维结构具有疏锂性，使得锂离子在沉积时没有合适的沉积位点，容易造成不均匀沉积。因此，在本工作中我们通过在Cu网上共同负载紧密结合的亲锂性的CuxO颗粒和电子绝缘性的纳米金刚石颗粒，CuxO/ND 复合物紧密结合在三维Cu网基底表面，不仅可以增强Cu网的亲锂性，增加其沉积活性位点，而且ND颗粒绝缘体的特性可调控电极/电解质界面的电场分布，使得CuxO亲锂性位点可在整个电极表面均匀转化，从而诱导锂金属在沉积过程中更加均匀平整；另外，ND颗粒的存在还可促进基底对锂离子的吸附，增强CuxO颗粒的亲锂性，增加基底表面与锂离子的结合能与亲和性，从而加快其传质过程，有利于实现电池长期稳定循环；2. 构筑Cu-ZnO/ND（铜-氧化锌/纳米金刚石）双功能性三维宿主结构。通过简单的电化学共沉积方法，将亲锂性的ZnO与电子绝缘性的纳米金刚石颗粒共同负载于三维Cu网上，Cu网的三维结构可以为金属锂提供存储空间，降低锂金属阳极的体积膨胀，亲锂性ZnO/ND可增强三维Cu网的亲锂性，有利于其表面锂成核的形成。另外，相较于单纯的ZnO，ND颗粒的存在可以均匀ZnO亲锂性位点的转化，诱导金属锂均匀沉积，从而使得二者共同作用下的复合极片可以达到更好的循环性能。由此证明，亲锂性物质/ND结合的双功能性结构对锂负极保护具有普适作用，可应用于其他亲锂性材料，为锂金属电池保护拓宽思路。3. 构筑刻蚀-沉积的三维Cu网宿主结构。通过电化学分解与沉积，在三维Cu网上进行Cu的刻蚀-沉积，对三维宿主基底结构进行改变。经由实验证明，相较于单纯光滑的Cu网，三维宿主结构的改变可提高锂金属电池的电化学性能，而且改变程度的大小也会影响锂金属电池的性能，即基底结构改变越大，其表面越不平整，锂金属电池越可以更加稳定高效得循环。由此证明，三维宿主结构的改变可影响锂负极保护效果，且随着改变程度的扩大，锂金属电池性能更加优越。以上工作均是基于双功能性三维宿主结构的构建以及对其深入探讨，来调控锂金属的均匀沉积，抑制体积无限膨胀，从而提高锂金属电池循环寿命，为三维金属锂保护结构设计提供了理论指导和实验基础。