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中國(guó)電子科技大學(xué)探討電極硬碳主體的鋰沉積行為
日期:2022-12-14   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_qianjiao 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
在下一代高能量密度電池中,鋰金屬被視為理想的負(fù)極。然而,為了使其充分發(fā)揮潛力,還要克服一定的挑戰(zhàn)。據(jù)外媒報(bào)道,研究團(tuán)隊(duì)探討鋰沉積行為,并圍繞硬碳主體開發(fā)了一種策略,可以成功解決目前在鋰金屬負(fù)極開發(fā)過程中面臨的一些問題。

(圖片來源:Springerlink)

中國(guó)電子科技大學(xué)的王麗平教授表示:“通過這一策略來合理設(shè)計(jì)主體和電解質(zhì),從而解決體積變化和枝晶問題,為制造鋰金屬負(fù)極提供了更寬闊的視角。”

鋰金屬具有超高理論容量、極低的電極電位和低密度,被視為富有前景的下一代電池負(fù)極。然而,鋰金屬受到不可控鋰枝晶生長(zhǎng)、副反應(yīng)和相對(duì)無限的體積變化的影響。這些問題會(huì)降低電池的效率,使電池的循環(huán)壽命變短,甚至可能導(dǎo)致短路等安全風(fēng)險(xiǎn)。

長(zhǎng)期以來,研究人員一直在探討不同的方法,以緩解枝晶生長(zhǎng)和體積膨脹問題,比如構(gòu)建三維復(fù)合鋰負(fù)極、優(yōu)化電解質(zhì)構(gòu)成、應(yīng)用人工界面膜和固體電解質(zhì)等。在解決體積膨脹和枝晶生長(zhǎng)問題方面,三維主體是最有前景的方法。在鋰金屬負(fù)極中,碳基材料是理想的主體候選材料,因其具有輕量化、導(dǎo)電率高和孔隙結(jié)構(gòu)多重優(yōu)勢(shì),并且電化學(xué)/化學(xué)性能穩(wěn)定。但王教授表示:“即使碳基主體具有諸多優(yōu)勢(shì),也不能完全解決體積膨脹和枝晶生長(zhǎng)等問題。”

最近以來,研究人員探討使用親鋰物質(zhì)(如鋅、氧化鋅、鋁、錫、硅、銀和鎂)對(duì)碳材料進(jìn)行改性,并開發(fā)合適的電解質(zhì)作為提高三維主體材料性能的有效方法。王教授表示:“然而,鋰沉積行為及其內(nèi)在機(jī)制并未得到系統(tǒng)的分析。”

為了更好地了解結(jié)構(gòu)-行為關(guān)系,發(fā)現(xiàn)鋰沉積行為及其內(nèi)在機(jī)制,為開發(fā)高性能碳基主體電極指明方向,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入的研究。研究人員使用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行系統(tǒng)性研究,探討碳?xì)浠衔镫姌O在不同表面改性和電解質(zhì)作用下的鋰沉積行為。研究人員發(fā)現(xiàn),鋰并不是自發(fā)地沉積到碳孔中。這在很大程度上取決于碳表面、電流密度、面積容量和電解質(zhì)。

因此,該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種含銀的親鋰改性商用硬碳作為穩(wěn)定主體。結(jié)果發(fā)現(xiàn),引入親鋰位點(diǎn)可以引導(dǎo)枝晶適應(yīng)生長(zhǎng),抑制體積膨脹。另外,研究人員發(fā)現(xiàn),局部高濃度電解質(zhì)被證明與鋰更相容,可以優(yōu)化鋰沉積形態(tài),阻止其形成枝晶。因此,在循環(huán)過程中,位于局部高濃度電解質(zhì)中的銀/碳?xì)浠衔镫姌O實(shí)現(xiàn)了均勻且無枝晶的鋰沉積形態(tài),并表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期循環(huán)效率(超過316次循環(huán))。

該團(tuán)隊(duì)總結(jié)道,盡管多孔碳具有容納鋰的理論空間,但是鋰離子不會(huì)沉積到預(yù)期的孔隙中,因?yàn)殇囋痈鼉A向于以爆炸性的生長(zhǎng)模式積聚,且其強(qiáng)度足以撐住碳顆粒。研究人員還發(fā)現(xiàn),對(duì)碳進(jìn)行表面改性,可以減少成核勢(shì)壘,從而部分緩解鋰沉積。然而,由于這是鋰沉積到親鋰碳上之后的鋰-鋰沉積行為,因此效率不高。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),使用局部高濃度電解質(zhì),可以更有效地實(shí)現(xiàn)無枝晶鋰沉積。

原標(biāo)題: 中國(guó)電子科技大學(xué)探討電極硬碳主體的鋰沉積行為
 
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