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納米”梯度”涂層實現高穩定性鋰金屬負極
日期:2021-06-04   [復制鏈接]
責任編輯:zhouzhou_sxj 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
研究背景

鋰金屬作為一種鋰電負極材料在近年來受到廣泛的關注,它具有極高的理論容量和極低的電化學勢,被普遍認為擁有巨大研究前景。但是,在電化學沉積過程中不可控的鋰枝晶生長而導致的一系列問題一直以來限制了鋰金屬在電池中的應用。
目前主要面臨的挑戰有循環壽命短,穩定性低,和安全隱患等。在電池中,鋰負極的表面有一層固體電解質界面層(SEI),它是由鋰和電解液之間的反應形成的。它組分復雜而不均勻,機械模量低,且性質不穩定,是鋰負極循環性能惡化的重要原因。

文章簡介

基于此,西安大略大學孫學良院士、Tsun-Kong Sham院士與通用汽車公司蔡梅博士合作,在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發表題為“Regulated Lithium Plating and Stripping by a Nano-Scale Gradient Inorganic-Organic Coating for Stable Lithium metal Anodes”的研究工作。

該工作報道了一種由分子層沉積法制備的納米級無機-有機”梯度”涂層,用于提升鋰金屬負極的循環穩定性。該涂層中梯度分布的無機Zn組分可以作為活性位點穩定鋰金屬的沉積,同時有機組分Polyurea(PU)可以作為柔性保護層抑制鋰枝晶的生長。在電化學性能測試中,由梯度涂層保護的鋰金屬展現出較高的循環壽命和穩定性。


導師專訪
該領域目前存在的問題?這篇文章的重點、亮點。

當前, 鋰負極的實際應用面臨著較低循環穩定性及安全性等嚴峻挑戰,而不穩定的負極界面被普遍認為是導致上述問題的關鍵原因。

近年來,鋰金屬界面的基礎研究以及改性工作得到了大量報道。其中,構筑人工界面層是減少界面副反應,抑制枝晶生長,從而提升鋰金屬負極循環性能的有效策略。研究和設計多組分的界面,以及各組分分布的調控,從而實現多組分的多功能性,是研究和解決鋰金屬界面問題的一個新穎的思路。

在本工作中,我們借助分子層沉積能夠對薄膜成分和厚度精準調控的特性,首次構筑無機組分梯度分布的功能性人工保護層,實現了對鋰金屬均勻電化學沉積和剝離的有效調控。

本文要點

要點一:本工作首次通過分子層沉積實現了納米級涂層中有機-無機組分含量梯度的構筑和調控,使得涂層體現出引導鋰金屬沉積以及抑制枝晶生長的功能性。無機組分中的Zn作為活性位點能引導鋰的均勻沉積,同時有機組分中的PU作為柔性膜能緩解循環過程中的體積膨脹,使性能得到提升。

要點二:為分析納米級涂層中的梯度,此工作中借助了多種在表面及近表面的表征手段。通過盧瑟福背散射(RBS)結合飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)分析了無機組分的分布,并通過同步輻射X射線斷層掃描(X-ray CT)證實了梯度涂層對鋰金屬均勻沉積和剝離的有效調控作用。

要點三:為探究鋰金屬人工界面層的設計思路,在本工作中對無梯度涂層、梯度涂層、以及反向梯度涂層進行測試性能比較,發現Zn位點集中于內部的梯度涂層展現出最佳的循環穩定性。此報道突出了鋰負極界面設計的重要性,也為高性能鋰電池的界面設計開辟了新的思路。

第一作者專訪
該研究的設計思路和靈感來源


鋰金屬負極材料在最近幾年成為了電池研究的熱點方向,因為其具有極低的電化學勢和極高的理論容量,為實現高能量密度的下一代電池體系提供了良好的前景。人們對于鋰負極的研究工作集中在探究電化學沉積/剝離機理,減少鋰枝晶生長,提升循環性能等方面。

近期,不穩定的固體電解質界面層(SEI)作為影響鋰金屬循環性能的重要原因被廣泛接受。因此,設計人工SEI來穩定鋰負極的工作被研究者們大量報道,構成人工SEI的組分包括金屬氧化物,磷酸鹽以及高分子材料等。實際上,單一組分的人工SEI很難同時滿足促進離子傳導,引導鋰金屬沉積,抑制枝晶生長,減少界面副反應等多重功能,所以對負極界面的多組分設計將能夠進一步提升鋰負極的性能。本文將‘梯度’的概念應用于鋰負極的策略在最近引起了廣泛關注,其中包括梯度分布的三維集流體和中間層的報道。

然而,截至目前,通過直接設計梯度分布的人工SEI用于鋰負極的離子仍然罕有報道。我們受此啟發,借助分子層沉積能夠精準調控成分、厚度和組分分布的優勢來制備梯度涂層,引入無機的Zn位點來引導鋰沉積,并通過有機柔性膜抑制鋰枝晶,從而達到穩定鋰金屬負極循環性能的目的。

2. 該實驗難點有哪些?

(1)在納米尺度下合成變化成分的“梯度”涂層在鋰的表面頗具挑戰。由于鋰極高的反應活性,對其表面涂層的成分和梯度的精準控制十分困難,需要對分子層沉積的合成條件進行不斷的摸索,嘗試和優化。

(2)對于梯度涂層保護的鋰金屬樣品的表征非常困難,需要尋找合適的表征手段來探測鋰的表面及近表面,得到梯度分布的信息。鋰金屬的空氣不穩定性更增加了表征的難度。

(3)我們在此工作中嘗試探究了梯度涂層保護的鋰負極在電化學循環中的界面變化,由于表征限制和認知局限,更詳盡的機理有待進一步的探索。

3.該報道與其它類似報道最大的區別在哪里?

(1)首次通過分子層沉積的方法,在鋰金屬表面構筑了納米級的功能性“梯度”保護層。其中,梯度分布的無機Zn位點能引導鋰的均勻沉積,有機的PU組分能夠抑制枝晶及減少界面副反應,實現鋰金屬循環性能的提升。

(2)我們通過盧瑟福背散射(RBS)結合飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)首次分析了保護層中無機組分在鋰金屬表面的梯度分布,并通過同步輻射X射線斷層掃描(X-ray CT)證實了梯度涂層對于鋰金屬均勻沉積和剝離的有效調控作用。

(3)最后,通過梯度涂層策略保護的鋰負極在下一代電池體系中得到了展示,使鋰-氧氣電池的循環壽命得到顯著提升并能穩定運行1500小時。我們揭示了鋰金屬電池性能的提升歸因于分子層沉積制得的保護層中無機組分的梯度設計。

導師專訪
您對該領域的今后研究的指導意見和展望

實際上,近年來有大量關于鋰負極界面研究的報道,然而對界面組分、分布、厚度、均一性及性能的有效的調控策略仍然是一大挑戰。 考慮到理想的鋰負極界面層需要至少滿足如下幾個特性:良好的化學/電化學穩定性,優異的機械性能,和較高的化學/電化學穩定性。因此,單一組分的人工界面很難滿足上述需求,而具有多組分的復合涂層則具有實現理想界面的潛力。

鋰金屬的電化學沉積是一個包括初期成核及后期生長的多步復雜過程,引入親鋰成核位點及調控位點分布對其均勻沉積將會提供幫助。這項工作開發出一種功能性涂層,為穩定負極界面的策略提供了更深入的探究和理解。

原標題:孫學良,Tsun-Kong Sham,蔡梅EES:納米”梯度”涂層實現高穩定性鋰金屬負極
 
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來源:科學材料站
 
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