鋰金屬電池的耐彎曲負極技術(shù)解析

【引言】

鋰金屬電池，包括鋰硫電池和鋰氧電池，都有著比鋰離子電池更高的理論能量密度。然而，作為理想的負極材料，鋰金屬的直接使用卻面臨著許多挑戰(zhàn)，特別是鋰枝晶的形成與生長。另外，保形電子器件領(lǐng)域要求具有高能量密度的可彎曲的能量存儲系統(tǒng)，我們希望鋰金屬電池滿足這樣的要求。但在彎曲使用條件下，由于彎曲引起的局部塑性變形和鋰細絲的粉碎，會使得枝晶的生長進一步加劇。如何設(shè)計并制備出一種可彎曲金屬鋰負極成為了一大挑戰(zhàn)。

【成果展示】

近日，天津大學(xué)羅加嚴教授課題組在Adv.Mater發(fā)表了題為“Bending-Tolerant Anodes for Lithium-metal Batteries”的研究論文，提出通過將鋰結(jié)合到可彎曲的支架材料（如還原氧化石墨烯薄膜）中制備出了耐彎曲的鋰金屬負極。在復(fù)合材料中，彎曲應(yīng)力很大程度上可通過支架材料分散掉。支架材料增加了均勻鍍鋰的有效表面積，減少了鋰電極在循環(huán)過程中的體積變化，從而使得彎曲條件下的循環(huán)性能得到了顯著改善。使用耐彎曲的r-GO/Li金屬電極，實現(xiàn)了可彎曲的高循環(huán)穩(wěn)定性鋰硫電池和鋰氧電池。不僅如此，文中還展示了一個能穩(wěn)定輸出的可彎曲的集成太陽能電池—電池系統(tǒng)和高電壓串聯(lián)可彎曲電池組?？梢灶A(yù)想，這種耐彎曲陽極進一步和電解質(zhì)以及正極相連接將能開發(fā)出新的可彎曲能源系統(tǒng)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖 1 彎曲加劇鋰金屬負極的枝晶生長

（a）示意圖顯示鋰金屬箔的彎曲會導(dǎo)致折痕/裂紋的形成。這些折痕/裂紋周圍的電場強于平坦的區(qū)域，導(dǎo)致電鍍過程中彎曲的鋰上產(chǎn)生嚴重的不規(guī)則的枝晶生長。

（b）在鋰金屬電鍍過程中樹突的形成。彎曲松散的鋰層會粉碎鋰細絲，導(dǎo)致鋰的部分損失。同時，彎曲會形成新的折痕/裂紋并加速新的枝晶生長。

（c）經(jīng)過不同過程的鋰金屬表面SEM圖像。不同的過程分別是初始階段、循環(huán)后、循環(huán)再彎曲后、彎曲后、彎曲再循環(huán)后以及彎曲條件下的循環(huán)后。所測的是使用1M LiTFSI-TEGDME作為電解質(zhì)的對稱鋰金屬紐扣電池。圖像表明了彎曲會加劇枝晶的生長。

圖2 使用r-GO做支撐材料的耐彎曲鋰金屬負極

（a）支架的有效表面積增加使得鍍的鋰更加均勻。

（b）復(fù)合材料中的彎曲應(yīng)力能通過可彎曲的支架材料極大地被分散掉。即使會產(chǎn)生微小的折痕/裂紋，它們也不易擴散，因為下面的支架材料保護著剩余的鋰。

（c,d）電極分別為純鋰和r-GO/Li復(fù)合材料，電解質(zhì)為1M LiTFSI-DME/DOL的對稱鋰金屬紐扣電池在無彎曲和彎曲條件下的電鍍/剝離電壓圖。

(e,f) 電極分別為純鋰和r-GO/Li復(fù)合材料，電解質(zhì)為1M LiTFSI-TEGDME的對稱鋰金屬紐扣電池在無彎曲和彎曲條件下的電鍍/剝離電壓圖。

（g）使用r-GO/Li復(fù)合材料作電極，經(jīng)過不同過程后鋰表面的SEM圖像。不同的過程分別是初始階段、循環(huán)后、循環(huán)再彎曲后、彎曲后、彎曲再循環(huán)后以及彎曲條件下的循環(huán)后。所測的是使用1M LiTFSI-TEGDME 電解質(zhì)的對稱鋰金屬紐扣電池。圖像表明了r-GO/Li電極表面更加均勻，在不同測試條件下都沒有明顯的突起。

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