三维铜纳米线组装体提升锂金属负极循环稳定性

W020160715609069870393金属由于极高的容量(3860 mA h g-1)和最负的电势(3.040 V vs.标准氢电极),一直被认为是最理想的锂电池负极材料。早在20世纪70年代,锂金属一次电池由于其高能量密度已被广泛应用于可植入医疗设备、航天航空以及油田勘探等。然而,在可充放电的二次电池中,锂金属表面的锂枝晶生长引起的一系列问题,如循环稳定性差和引起电池短路的安全性问题,使得其在二次电池中的应用受到了限制。实现电能高效利用的基础是具备高能量密度存储系统,然而目前锂离子电池的能量密度已经无法满足未来能源存储系统的要求。具有高能量密度的锂金属电池重新回到研究者的视线。特别是近几年有关锂-硫电池、锂-空气电池中的硫和空气正极的研究已取得了重要进展,这使得研发高循环稳定性和高安全性的锂金属负极更加迫切。

抑制锂金属负极表面的锂枝晶生长是实现高能量密度锂金属电池,包括锂-硫电池、锂-空电池商业应用的关键。锂枝晶是由于锂金属负极表面锂离子和电子密度的空间分布不均而导致的锂离子不均匀沉积产生的。传统的研究思路是通过电解液添加剂以及人工构筑固体电解液界面膜来抑制锂金属表面的锂枝晶生长。中国科学技术大学俞书宏教授研究团队姚宏斌教授课题组从纳米材料组装体的构筑出发,利用纳米线三维网络组装体代替传统的铜箔集流体,实现了锂离子在负极的均匀分布,显著提升了锂金属负极的循环稳定性。当采用三维铜纳米线网络作为集流体,一方面,由于其具有较大比表面积和贯通孔道,可以极大地减小锂离子空间分布密度,使锂离子分布均匀性显著提高;另一方面,铜纳米线良好的电导性,使电子能在整个三维网络结构里更均匀快速地传输。均匀的锂离子分布和电子传输,使得锂金属沉积有效地发生在铜纳米线表面,并被限制在三维网络的内部孔道中,极大地抑制了锂枝晶的生长。

该研究表明,基于铜纳米线组装体的三维纳米网络集流体实现了锂离子沉积过程中的空间均匀分布,抑制了枝晶生长,从而获得高安全性和长寿命的锂金属负极。在传统的调控电解液组分和固态电解质界面膜抑制枝晶研究的基础上,纳米组装体集流体设计为高效抑制锂枝晶生长提供了一个新思路。同时,这种纳米组装体集流体不仅会在锂-硫电池和锂-空电池中发挥重要作用,还将在固态锂金属电池中具有潜在的应用前景。该成果发表在Nano Letter 2016, 16 , 4431–4437, 被选为Most Read Articles。论文的第一作者是中国科学技术大学化学系博士生卢磊磊。

该研究工作受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家重大科学研究计划项目、苏州纳米科技协同创新中心、国家自然科学基金委重点基金、国家青年千人计划、中国科学技术大学校启动基金等项目的支持。

论文链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01581

(据中国科学技术大学)

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