鋰金屬由于其高比容量（3860?mAh?g?1）和最低還原電位（與標(biāo)準(zhǔn)氫電極相比?3.04?V），是一種很有前景的高能量密度存儲系統(tǒng)負(fù)極材料。然而，盡管具有這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)用化可充鋰金屬電池（LMB）的發(fā)展仍然受到一些技術(shù)問題的阻礙。2021年1月8日，Nature Communications連續(xù)刊發(fā)2篇LMB的研究論文，進(jìn)一步推進(jìn)了LMB的應(yīng)用和發(fā)展。基于此，小編簡單匯總了一下這兩篇論文，以供大家學(xué)習(xí)和參考！
Nat. Commun.：柔性電子阻擋界面屏蔽助力無枝晶固態(tài)鋰金屬電池
固態(tài)電池（SSBs）因其高能量密度和高安全性而被認(rèn)為是下一代鋰離子電池技術(shù)。然而，固態(tài)電解質(zhì)（SSEs）的高電子導(dǎo)電性導(dǎo)致Li枝晶的成核和增殖。此外，界面接觸不良導(dǎo)致的電場分布不均勻會進(jìn)一步促進(jìn)枝晶沉積，從而導(dǎo)致SSBs的快速短路。
基于此，加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良、青島大學(xué)郭向欣在Nat. Commun.上發(fā)表研究論文，報(bào)道了一種柔性電子阻擋界面屏蔽層（EBS），以實(shí)現(xiàn)均勻的界面接觸并防止由于石榴石型電解質(zhì)中的高電子電導(dǎo)率引起的Li枝晶形成。界面處的聚丙烯酸（PAA）聚合物與熔融的Li在250°C下反應(yīng)，形成嵌有Li的PAA（LiPAA）。原位取代反應(yīng)形成的EBS不僅可以提高鋰的親鋰性，而且可以穩(wěn)定鋰的體積變化，在重復(fù)循環(huán)過程中保持界面的完整性。密度泛函理論計(jì)算表明，從鋰金屬到EBS的電子隧穿能壘很高，表明其具有出色的電子阻擋能力。受EBS保護(hù)的電池的臨界電流密度可提高到1.2 mA cm-2并在室溫下在1 mA cm-2（1 mAh cm-2）下穩(wěn)定循環(huán)超過400小時(shí)。這些結(jié)果證明了抑制Li枝晶的有效策略，并為SSE和Li金屬界面的合理設(shè)計(jì)提供了新的見解。
圖2 使用裸LLZTO和PAA修飾的LLZTO的Li對稱電池的電化學(xué)性能
A flexible electron-blocking interfacial shield for dendrite-free solid lithium metal batteries. Nat. Commun. 2021. DOI: 10.1038/s41467-020-20463-y
Nat. Commun.：原位聚合法構(gòu)建多功能固態(tài)電解質(zhì)界面助力無枝晶低N/P比鋰金屬電池
穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）因其有效的抑制電解液消耗和抑制鋰枝晶生長而受到LMA的青睞。然而，由于薄膜形成的不均勻性、低柔性以及改變Li成核/生長方向的能力有限，目前的設(shè)計(jì)策略很難賦予多功能SEI的形成，這導(dǎo)致枝晶生長不受約束，循環(huán)穩(wěn)定性差。
基于此，華南師范大學(xué)Xin Wang、中科院蘇州納米所陳立桅、加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉在Nat. Commun.上發(fā)表研究論文，利用含有鄰苯二酚和丙烯酸基團(tuán)的電解質(zhì)添加劑通過原位陰離子聚合來構(gòu)建穩(wěn)定的多功能SEI。以咖啡酸（CA）為代表添加劑。通過CA陰離子聚合反應(yīng)建立有機(jī)膜，該有機(jī)膜包含鋰鹽和無機(jī)Li組分作為SEI層。這種自平滑和堅(jiān)固的SEI為Li的吸附和空間排斥提供了多個(gè)位置，以限制成核/生長過程，從而形成均勻的Li納米球。這種各向同性納米球提供了非優(yōu)選取向的Li生長方向，使得鋰沉積均勻，從而實(shí)現(xiàn)無枝晶負(fù)極。由于這些優(yōu)勢，可以獲得出色的循環(huán)性能，即在高達(dá)10?mA?cm?2的電流密度，仍具有超過8500小時(shí)運(yùn)行的超長循環(huán)壽命，高累積容量超過4.25 Ah cm?2，并能夠在60°C下穩(wěn)定循環(huán)。此外，在貧電解液、低N/P比或高溫條件下，Li-S和Li-LiFePO4電池也可實(shí)現(xiàn)延長的循環(huán)壽命。這一簡單的策略也促進(jìn)了LMA的實(shí)際應(yīng)用，并對相關(guān)領(lǐng)域的SEI設(shè)計(jì)也有一定的啟示。
圖2 LMA在Li@CA–LiNO3和Li@LiNO3電解液中的循環(huán)穩(wěn)定性
圖3 Li-S和Li-LiFePO4電池的電化學(xué)性能
Constructing multifunctional solid electrolyte interface via in-situ polymerization for dendrite-free and low N/P ratio lithium metal batteries. Nat. Commun. 2021. DOI: 10.1038/s41467-020-20339-1
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