【導(dǎo)讀】鋰金屬負(fù)極由于具有較高的理論比容量及最低的負(fù)極電化學(xué)勢而有望成為高能量密度鋰電池中理想的負(fù)極材料，然而其使用過程中容易形成枝晶，并由此引發(fā)的電池安全性等問題嚴(yán)重阻礙了鋰負(fù)極的實際應(yīng)用。因此解決鋰金屬負(fù)極在使用過程中存在的枝晶問題，具有重要的科學(xué)意義及實用價值。
背景介紹
全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化加速了綠色能源技術(shù)的發(fā)展，繼而引起了人們對鋰離子電池（LIB）在內(nèi)的綠色儲能技術(shù)的廣泛關(guān)注。從上世紀(jì)90年代開始，LIBs的商業(yè)化極大地推動了包括筆記本、移動電話等便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展和普及。然而近年來，隨著電動汽車及其他先進(jìn)便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，目前的鋰離子電池已經(jīng)逐漸不能滿足其需求。在這種背景下，高能量密度電池已成為當(dāng)前的研究熱點領(lǐng)域，相關(guān)研究成果受到廣泛的關(guān)注。鋰金屬負(fù)極由于具有較高的理論比容量及最低的負(fù)極電化學(xué)勢而有望成為高能量密度鋰電池中理想的負(fù)極材料，然而其使用過程中容易形成枝晶，并由此引發(fā)的電池安全性等問題嚴(yán)重阻礙了鋰負(fù)極的實際應(yīng)用。因此解決鋰金屬負(fù)極在使用過程中存在的枝晶問題，具有重要的科學(xué)意義及實用價值。
成果簡介
近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所王書華博士（第一作者）和郭玉國研究員（通訊作者）報道了通過在垂直微孔孔道中調(diào)節(jié)鋰的沉積/溶解來得到穩(wěn)定的鋰金屬負(fù)極，進(jìn)而抑制鋰枝晶的生長。他們系統(tǒng)分析了多孔銅集流體結(jié)構(gòu)參數(shù)對電流密度分布的影響以及鋰在不同尺寸的多孔銅集流體內(nèi)的形貌演化。通過COMSOL Multiphysics理論模擬，發(fā)現(xiàn)尖端效應(yīng)導(dǎo)致鋰在微孔道壁內(nèi)的優(yōu)先沉積，相比平板銅，他們設(shè)計的集流體具有較大的比表面積和孔體積，有效減少了金屬鋰在集流體表面的沉積，進(jìn)而抑制了鋰枝晶的生長。研究發(fā)現(xiàn)，具有多孔銅集流體的鋰負(fù)極，具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性，200圈內(nèi)平均庫倫效率約98.5％。此外，基于此種集流體所組裝的LiFePO4/Li全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。相關(guān)成果以題為“Stable Li Metal Anodes via Regulating Lithium Plating/Stripping in Vertically Aligned Microchannels”發(fā)表在了Advanced Materials上。
圖文導(dǎo)讀
圖1.多孔銅集流體示意圖及模擬計算分析
a）設(shè)計的多孔銅集流體示意圖
b-d）多孔銅集流體上表面的電流密度分布模擬結(jié)果，圖中標(biāo)尺為10 μm。
e）鋰優(yōu)先沉積在多孔銅管壁上的示意圖
f，h，j，l）具有不同孔半徑的多孔銅上表面SEM圖
g，i，k，m）具有不同孔半徑的多孔銅的斷面SEM圖
圖2.鋰在不同孔半徑的銅集流體上沉積形貌的演變
a-d）半徑分別為5 μm，7.5 μm，10 μm及15 μm的多孔銅集流體上沉積鋰的SEM圖
e）在平板銅上沉積鋰的SEM圖
f）Li沉積在不同孔尺寸集流體內(nèi)的過電勢比較
圖3.鋰沉積在多孔銅集流體的EPMA圖及SEM斷面圖
a-d）電流密度為1mA cm -2的多孔Cu-5-50-12上沉積不同容量鋰時的EPMA圖
e，f）在多孔Cu-5-50-12上鋰沉積物的SEM斷面圖
圖4.性能分析
a）使用不同孔半徑的多孔銅集流體時，對稱電池的循環(huán)性能
b）鋰沉積在平板銅及多孔Cu-5-50-12時的循環(huán)穩(wěn)定性能及庫倫效率
c）鋰沉積在多孔Cu-7.5-50-17、Cu-10-50-22、Cu-15-50-32時的循環(huán)穩(wěn)定性能及庫倫效率
d）不同循環(huán)圈數(shù)下，平板銅和多孔Cu-5-50-12的Li沉積/溶解時電壓分布細(xì)節(jié)圖
e）不同循環(huán)圈數(shù)下，鋰沉積在平板銅及多孔Cu-5-50-12上EIS圖
圖5.與磷酸鐵鋰（LFP）組成電池后循環(huán)性能及倍率性能分析
a，b分別以多孔Cu-5-50-12 a)和平板銅b)為集流體的鋰負(fù)極，與磷酸鐵鋰組成電池后，不同循環(huán)圈數(shù)時的電化學(xué)性能
c）平板銅和多孔銅為集流體時，Li / LFP電池的循環(huán)性能比較
d）平板銅和多孔銅為集流體時，Li / LFP電池的倍率性能比較
小結(jié)
該團(tuán)隊設(shè)計了具有尖端效應(yīng)的垂直微孔孔道結(jié)構(gòu)以抑制Li枝晶的生長。多孔銅的幾何形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著影響電流密度分布，沉積鋰的形貌及其在半電池和全電池中的電化學(xué)性能。研究結(jié)果表明，具有垂直排列的銅微孔孔道結(jié)構(gòu)為安全的鋰負(fù)極設(shè)計提供了一個可行性的選擇。
