西北工業(yè)大學Nano Letters：多孔介質(zhì)中鋰枝晶生長抑制機理

引言

金屬鋰因其超高的理論比容量（3860 mAh g-1）和超低的電位（-3.040V vs. SHE）被認為是下一代高比能金屬鋰電池負極材料的最佳選擇。然而，其充放電過程中不可控的鋰枝晶生長以及由此引起的循環(huán)穩(wěn)定性差、庫倫效率低和安全隱患高等系列問題，嚴重制約金屬鋰電池的商業(yè)化進程。在眾多解決方案之中，利用具有微納孔隙的多孔介質(zhì)（如無機固態(tài)電解質(zhì)、涂覆隔膜、多孔中間層等）來抑制電沉積過程中的枝晶生長被認為是最簡單有效的。然而，相應(yīng)實驗結(jié)果背后的共性基礎(chǔ)問題尚未引起關(guān)注，因此難以從根本上解決枝晶生長問題。

成果簡介

近日，西北工業(yè)大學納米能源材料研究中心魏秉慶教授、謝科予教授研究團隊在納米材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Nano Letters上發(fā)表了題為“Suppressing Dendritic Lithium Formation Using Porous Media in Lithium metal based Batteries”的論文。他們通過理論計算證明了多孔介質(zhì)的曲折孔隙是實現(xiàn)非樹枝狀Li生長的關(guān)鍵。一方面，曲折的孔隙大大減少了Li+向負極移動的局部離子流量; 另一方面，它們有效地延伸了枝晶生長的物理路徑。基于這一理論探索，合成了一種新型多孔α-Si3N4亞微米線膜，將其覆蓋在傳統(tǒng)負極集流體銅箔表面，可以實現(xiàn)鋰金屬的均勻沉積。將多孔α-Si3N4亞微米線膜應(yīng)用于Li | Li對稱電池體系，取得了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，電池可以連續(xù)運行超過3000小時而沒有任何短路跡象。這一研究結(jié)合理論計算與實驗結(jié)果，闡明了金屬鋰電沉積過程中多孔介質(zhì)內(nèi)部局部離子流量和孔道結(jié)構(gòu)對鋰枝晶抑制效果的作用規(guī)律，揭示了多孔介質(zhì)中鋰枝晶抑制的普適原理，為研究開發(fā)更安全、更耐用的新一代金屬電池（Li，Na，K，Al等電池）提供了理論指導。

圖文導讀

圖1 Li在多孔介質(zhì) (a, c, e) 和無多孔介質(zhì) (b, d, f) 中的生長模擬

圖2 引入α-Si3N4亞微米線膜的銅箔（a, c, d, g, h）和普通銅箔（b, e, f, i, j）上Li沉積形貌

圖3 引入α-Si3N4亞微米線膜的銅箔和普通銅箔電化學性能對比

圖4 LiFePO4| Li電池中引入α-Si3N4亞微米線膜和未引入α-Si3N4亞微米線膜的電化學性能對比及對應(yīng)鋰負極形貌