能源学院晏成林团队与合作者在Nature Communications上发表研究论文

      2月22日,澳门太阳城娱乐场能源学院晏成林教授、钱涛老师和美国德州大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授合作,在Nature Communications上发表题为“Lithium anode stable in air for low-cost fabrication of a dendrite-free lithium battery”(空气稳定锂金属负极用于低成本制造的无枝晶锂金属电池)的研究论文,该研究提出了由一种疏水氟化石墨(GF)和氟化锂(LiF)作为保护层的GF-LiF-Li锂金属负极,在空气中可以保持长时间稳定,而且具有可以抑制锂枝晶生长等高安全性能。

      随着电动汽车和储能电网等高能耗储能应用的快速发展,传统的锂离子电池已经不能满足需求,迫切需要开发具备高能量密度的新一代锂电池。金属锂具有高的比容量(3861 mAh/g)、最低的电化学势(-3.04 V)和较小的密度(0.534 g/cm3),因而是最具有前景的最理想的高比能量锂离子电池的负极材料。但是,由于金属锂对潮湿空气的敏感性,锂金属电池的生产与组装需要在高成本的干燥房中进行。其次,在充放电过程中,锂金属负极表面不均匀沉积导致的针状枝晶的生长和死锂的产生将降低电池的性能,缩短电池的循环寿命,严重阻碍了金属锂在存储电力的大型锂电池中的应用。因而,亟需发展一种能在空气中稳定的安全无枝晶生长的金属锂负极。

1. 原位光学显微镜观察Li电沉积和对称电池上的长期循环。

      该研究采用在高温下熔融的锂金属和氟化石墨反应,在表面形成具有疏水性的GF-LiF保护层,既可以保护金属锂在空气中不被水氧侵蚀,又可以防止新鲜锂金属在循环过程与电解液直接接触形成不稳定的固态电解质界面膜,起到抑制枝晶生长稳定负极界面的作用。

2. GF-LiF-Li空气稳定性原位XRD图谱的颜色图。

      该复合锂金属(GF-LiF-Li)在剥离/电镀实验中,与普通的金属锂负极相比,GF-LiF-Li负极能在高达10 mA cm-2的大电流密度下依然表现出低的过电位以及优异循环稳定性,并保持无枝晶形貌,显著提高了锂负极安全性,延长了电池的循环寿命。另外,GF-LiF-Li负极与磷酸铁锂正极匹配,分别用液态电解液和固态电解质组装成电池,均展现出稳定的电化学循环性能,而且能有效抑制有机电解液的分解。

      在空气稳定测试中,将GF-LiF-Li复合材料暴露于相对湿度为20-35%的潮湿气氛中,即使超过24h,仍然能表现出与未暴露于空气的GF-LiF-Li负极相当的比容量和循环稳定性,这可以将锂负极的制备与锂金属电池的组装从对水氧条件严苛的高成本工作间中解放出来。这种不惧空气湿度的GF-LiF-Li锂金属负极克服了湿度问题,并且很好地解决了锂枝晶问题,不仅可以在普通干燥房中参与电池组装工序,而且可以大面积生产,降低很多成本,并易于实现工业化,是领域的重大研究进展。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-08767-0

(科学技术研究部、能源学院)
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