鋰金屬電池負極界面改性研究獲系列進展

金屬鋰具有極高的理論比容量與極低的氧化還原電位，有望成為下一代負極材料。當其與轉換反應型硫基和氟基正極匹配時，有望得到能量密度高達500- 900 Wh kg-1的鋰金屬電池(LMBs)。然而，負極端鋰枝晶的生長蔓延容易導致鋰金屬電池循環穩定性變差，且具有電池短路的安全風險；擠壓出來的鋰枝晶也有可能破壞固態電解質界面（SEI）層或形成「死鋰」，隨著鋰金屬負極比表面積和孔隙率的增加，電解液的消耗加劇，同時SEI累積變厚而造成電極鈍化。這些不利因素會導致電池阻抗和過電勢增加，引起庫侖效率(CE)的下降和波動，嚴重限制了鋰金屬電池的發展。通過添加低含量電解液添加劑來調節SEI組分，是一種簡單有效的增強SEI膜、改善負極界面從而延緩鋰枝晶生長的策略，而SEI的增強效果取決於添加劑與還原性Li表面的降解反應過程。

針對單一無機成分的SEI層柔韌性較差以及現有有機無機雜化SEI層的構建操作複雜的難題，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團隊提出了一種簡便有效的界面原位催化嫁接策略，實現了鋰金屬電池負極的高效穩定和枝晶抑制。相關研究發表在《先進功能材料》上（Advanced Functional Materials，2019, 1902220，DOI:10.1002/adfm.201902220）。

在該工作中，研究團隊通過將-OCH3基團封端的液體聚二甲基硅氧烷（PDMS-OCH3）作為可嫁接添加劑，通過電化學勢和電場作用實現其在鋰金屬表面的「接枝」和「碎片」反應。鋰金屬表面天然存在的Li2O和LiOH薄層「皮膚」，在電荷轉移作用下，可催化激活PDMS-OCH3的解離反應，破碎後的大分子可嫁接到鋰金屬表面，同時更小的分子可密化成無機的LixSiOy快離子導體。這樣的有機-無機雜化界面相(即接枝SEI)在電化學過程中被注入的高濃度LiF進一步增強。LiF和LixSiOy的硬無機成分組合可提供快離子通道和界面，實現離子流的均化效應，起到阻礙鋰枝晶生長的屏障作用；而軟的PDMS分支則可增強整個SEI的柔韌性和緩衝效果。將液體的PDMS-OCH3作為碳酸酯體系的添加劑，其嫁接保護下的負極可賦予Li|Li 對稱電池長達1800 h的穩定循環，同時實現25 mV左右的小電位極化。Li|Cu非對稱電池在大電流密度和高面容量的條件下仍可實現高達97%的庫倫效率。在鋰金屬緻密化和SEI穩定化方面，液態PDMS添加劑具有比其他嫁接能力弱的固體硅氧烷添加劑更顯著的優勢。

近期，李馳麟團隊針對鋰金屬電池負極界面改性研究已取得系列進展，提出了功能添加/填充劑和保形包覆手段來設計穩定的人工SEI層，率先提出二維碳氮聚合物（C3N4）增強電解質抑制鋰枝晶生長的策略（ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 11615），提出多孔鎂金屬網路原位鍍層以穩定鋰負極可逆循環的手段（ACS Appl. Mater. Interfaces2018, 10, 12678），率先提出一類富鋰氟基開框架固態電解質高離子導電率的實現途徑及其對鋰離子流的均化效應（Energy Storage Mater.2018，14，100;ACS Appl. Mater. Interfaces2018, 10, 34322），提出金屬有機框架（MOF）固體添加劑觸發高濃度LiF原位注入Zr-o-C基SEI的複合增強策略（ACS Appl. Mater. Interfaces2019, 11, 3869），提出絲膠蛋白保形包覆實現空氣穩定鋰金屬負極和高倍率Li-S電池的方法（J. Power Sources2019, 419, 72），提出可誘導鋰金屬保形共軸沉積的合金三維骨架構築（ACS Appl. Energy Mater.2019, DOI: 10.1021/acsaem.9b00573）。

以上系列研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助和支持。

液態聚二甲基硅氧烷的界面原位催化嫁接以實現無枝晶的鋰電鍍和高可逆的鋰金屬電池

來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所

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