隨著智能手機、電動汽車等產業的高速發展，人們對兼具高能量密度、高安全性的二次儲能電池的需求日益增長。在各類電池材料體系中，金屬鋰具有高理論容量（3860mAh g–1）、低氧化還原電勢（–3.04V vs. 標準氫電極）、低密度（0.59 g cm–3）等優勢，成為近年來儲能研究領域的前沿熱點課題。然而，金屬鋰負極在充放電過程中，容易與電解液發生各種副反應形成不穩定的固體電解質界面膜(SEI)并伴隨電極界面鋰的不規則沉積導致形成針狀或樹枝狀的鋰枝晶。鋰枝晶的形成和生長會給電池體系帶來不可逆的容量損失，甚至可能會穿過隔膜而導致電池正負極內部短路引起過熱、自燃等安全隱患。如何更好的調控金屬鋰在電化學沉積界面的成核以及沉積行為、抑制電化學反應過程中鋰枝晶生長是實現金屬鋰負極在高能量密度二次電池，包括鋰金屬固態電池、鋰硫電池、鋰空電池能否實現實際應用的關鍵。
圖 基于誘導沉積的方法可控制備薄層金屬鋰負極
在上述研究基礎上，該研究組進一步通過分子結構設計將具有較大電負性和親鋰作用的含硫噻吩官能團與炔鍵相連，報道了一種通過誘導沉積的方法直接在集流體表面實現可控制備薄層海藻狀金屬鋰負極以提高鋰金屬電池循環穩定性的方法。通過將具有較大電負性和親鋰作用的含硫噻吩官能團與炔鍵相連，可以實現噻吩炔表面鋰金屬的均勻成核和生長，并形成由單個金屬鋰棒形成的海藻狀金屬鋰薄層。通過理論計算明確了噻吩炔中均勻分布的硫原子與炔鍵形成的協同效應增強鋰與成核活性位點之間的相互作用，優化整個碳骨架區對于鋰的均勻吸附能力，同時利用硫原子調控電荷在鋰與噻吩炔界面的轉移與傳輸性能，降低鋰的成核過電勢從而誘導鋰均勻成核。研究結果表明，制備的海藻狀薄層金屬鋰與銅箔上直接沉積的塊狀金屬鋰相比，體現出較低的成核過電勢與界面阻抗，同時在對稱金屬鋰電池中表現出優異的循環穩定性。由海藻狀鋰金屬負極和Li4Ti5O12作為正極組裝的全電池在1000多個循環中具有優異的容量保持率。
此項研究為制備具有特定形貌的薄層鋰金屬負極提供了一種簡便而可控的策略。同時，這項工作將有助于加深對金屬鋰沉積機理的認識，并有望進一步推動金屬鋰在無負極金屬鋰電池等高能量密度電池中的應用。本工作的相關研究成果最近以“Self‐Regulation Seaweed‐Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery”為題發表在國際著名期刊Advanced Functional Materials上。該研究獲得國家自然科學基金、中國科學院重點部署等項目的支持。
Wang, K.; Li, X.; He, J.; Yang, Z.; Gao, J.; Cui, S.; Huang, C. Self-Regulation Seaweed-Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery. Adv. Fun. Mater. 2021, 31, 2009917.
