天津大學(xué)合作清華大學(xué)研發(fā)蠟-PEO涂層

天津大學(xué)楊全紅教授與清華大學(xué)呂偉教授領(lǐng)導(dǎo)的一支研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過簡單的浸涂法,在鋰金屬表面制備了一種蠟-PEO(等離子體電解氧化)涂層,從而制成了一種空氣穩(wěn)定且防水的鋰金屬陽極。蠟作為一種常用的惰性密封材料,很容易就可涂覆在鋰金屬表面。

鋰金屬陽極具高比容量、低電位以及輕質(zhì)量等特性,可有效提高電池的能量密度,即改用鋰金屬陽極將顯著提升電動汽車的續(xù)航里程,以及降低用于電網(wǎng)能量存儲的電池成本。但是,由于鋰具有高化學(xué)活性,容易導(dǎo)致枝晶生長和空氣不穩(wěn)定,從而引發(fā)安全問題,因此限制其作為電極材料,得到大規(guī)模應(yīng)用。

鋰金屬對空氣中的水分和氧化成分非常敏感,會導(dǎo)致其表面產(chǎn)生氫氧化鋰等絕緣性物質(zhì),即導(dǎo)致其電化學(xué)性能惡化。此外,當(dāng)鋰與水接觸時(shí),會產(chǎn)生氫氣和熱量,從而可能會引發(fā)起火或爆炸。而鋰金屬的此種敏感性對于鋰金屬陽極的運(yùn)輸、存儲和加工都提出了更高的要求。因此,迫切需要研發(fā)出一種空氣穩(wěn)定,且能夠防水的鋰金屬陽極,以讓未來鋰金屬陽極能夠真正得到應(yīng)用。

在電子設(shè)備領(lǐng)域,利用包裝技術(shù),可以保護(hù)電子元件免受潮濕空氣和水的物理傷害和腐蝕,這也為如何保護(hù)鋰金屬提供了設(shè)計(jì)思路。

研究人員研發(fā)的蠟基復(fù)合涂層可防止鋰金屬在空氣和水中產(chǎn)生不良反應(yīng)。在電池中,此類涂層減緩了電解液對鋰金屬陽極表面的腐蝕;而均勻分布的PEO確保了鋰離子在界面上能夠均勻?qū)щ?抑制了鋰枝晶的生長。

在蠟-PEO涂層的保護(hù)下,鋰金屬表面在相對濕度為70%的空氣中,24小時(shí)內(nèi)都沒有發(fā)生變化,高比容量保留率為85%。而且即使其與水直接接觸,也沒有起火燃燒或者容量出現(xiàn)衰減。鋰金屬陽極涂覆了該涂層后,在對稱電池中,在長達(dá)500個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)都保持了穩(wěn)定性,并且由涂覆了該涂層的鋰金屬陽極制成的鋰硫電池在300次充放電循環(huán)中,每次循環(huán)后,該電池容量衰減率低至0.075%。

此次研究演示了一種用于空氣穩(wěn)定和防水鋰金屬陽極的高效封裝技術(shù),該技術(shù)易于擴(kuò)展,且適用于其他敏感型電極材料。