Nat.Commun.:改“围堵”为“疏导”——清华大学杨诚课题组在高安全性锂金属电池技术取得重大突破:PG电子app下
时间:2021-09-28 00:10点击量:


本文摘要:锂金属电池的电极容量可超过目前商用锂离子电池的10倍以上,是未来最有期望的高能量密度电化学储能技术。然而,必要用于金属锂也不存在相当严重的安全隐患、较好的倍率和循环性能劣等问题,相当严重妨碍了其商业化进程。目前,学术界应付锂金属电极过热的主要策略是“驱离”的方法,即通过电解质优化和界面调控等方法来诱导/减缓锂枝晶的经常出现,这在一定程度上维护了金属电极免受过热,但仍无法完全避免锂枝晶在长时间循环过程中的经常出现。

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锂金属电池的电极容量可超过目前商用锂离子电池的10倍以上,是未来最有期望的高能量密度电化学储能技术。然而,必要用于金属锂也不存在相当严重的安全隐患、较好的倍率和循环性能劣等问题,相当严重妨碍了其商业化进程。目前,学术界应付锂金属电极过热的主要策略是“驱离”的方法,即通过电解质优化和界面调控等方法来诱导/减缓锂枝晶的经常出现,这在一定程度上维护了金属电极免受过热,但仍无法完全避免锂枝晶在长时间循环过程中的经常出现。

而在当前的电池体系中,锂枝晶一旦经常出现,电池就面对着短路或发生爆炸等不利的风险。那么,是不是办法需要确保在枝晶大量经常出现之后锂金属电池仍能保持长时间工作,且不经常出现安全性问题?针对这一难题,清华大学杨诚课题组明确提出了独有的利用电场诱导锂枝晶沿着平行于隔膜的方向“横着宽”的新思路,从而构建当锂枝晶不可避免地大量生长的极端情况下,锂金属电池依然能长时间平稳工作的效果,该技术未来将会加快锂金属电池的商业化应用于。涉及成果2018年1月31日在线公开发表在NatureCommunications杂志(2018,9,464)。

当前,针对锂金属充放电过程中的异质沉积(枝晶生长)不平稳SEI膜的构成,以及循环时大的体积变化等棘手的问题,学术界的主要研究策略主要有电解质优化(还包括优化电解液配方、引进添加剂等)和界面调控(人构筑人工SEI膜,引进三维骨架)等。这些策略通过诱导或减缓锂枝晶的经常出现,在相当大程度上维护了金属电极免受过热。然而,目前技术却无法完全避免锂枝晶在长时间循环过程中的经常出现,特别是在是当电池在大循环电流、过充或是低温等条件下运营时。既然上述“驱离”的方法不更容易几乎回头通,那能否糅合老祖宗的智慧——例如大禹治水所使用的“纾缓”的方法——让锂枝晶沿着危害性较低的方向诱导生长?近日,清华大学深圳研究生院杨诚老师明确提出了电场诱导锂枝晶定向生长的技术,研发出有独有的具备微孔阵列结构的铜集流体,让锂枝晶沿着平行于隔膜的方向“横着宽”。

这样一来,即便所有诱导锂枝晶生长的方法过热了,失控生长出来的锂枝晶也无法对隔膜导致损害。通过掌控沉积/挤压锂金属的容量,使得该结构像一个个独立国家的“蛇笼”一样,将所有这些细长的“蛇”(枝晶)容纳并容许在“笼子”里面,而“蛇”从“笼子”里逃离的概率则十分小。

即使经常出现了“蛇”从“笼子”里钻出来的极端情况,通过计算出来仿真找到,枝晶对隔膜所产生的形变也适当上升到对比样例(平面铜集流体)中的40%,正如司马迁在《史记·韩长孺史记》中所说的“强弩之极,矢无法穿着鲁缟也”。该技术牵涉到到的集流体加工方法(热压覆膜、激光钻孔和碱液转印),具备尺寸均匀分布、孔洞大小固定式、良率高等特点,可实现光刻级的工业生产一致性,不利于大规模商业应用于。图1锂枝晶在平面铜集流体(P-Cu)和微孔阵列铜集流体(E-Cu)中的进化示意图。

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综上所述,这种“纾缓”的方法,使得即便锂枝晶早已在电池中大量经常出现,其对电池系统的伤害程度也能大幅度减少。实验结果表明,平面半电池样品在0.5mA/cm2和1mA/cm2的电流密度下,循环150圈后容量保留亲率仍分别高达99%和90%。在更高电流密度下(2mA/cm2),电池仍能平稳循环130圈,而普通铜箔为集流体的电池循环将近50圈就经常出现短路。

实验所装配的全电池某种程度具备很好的循环性能(1C循环250圈,库伦效率高约99.5%)。图2(a)微孔阵列铜集流体与普通铜箔集流体半电池在0.5mA/cm2、1mA/cm2和2mA/cm2循环性能对比图(b)微孔阵列铜集流体与普通铜箔集流体仅有电池循环性能对比图课题组讲解:杨诚老师近年来在金属微纳导电骨架材料研究方面获得一系列引人注目的学术进展。

还包括2015年作为唯一通讯作者在NatureCommunications公开发表分形雪花银枝晶技术的学术成果(Nat.Commun.2015,6,8150)、2016年作为唯一通讯作者在AdvancedMaterials公开发表镍纳米线阵列纳米导电骨架结构的学术成果(Adv.Mater.,2016,28,4105)等。他所率领的研究小组在三维、多级、有序金属微纳导电材料的结构及生长掌控方面累积了非常丰富的经验和明显的科研成果。

此外,杨老师课题组融合工业界成熟期的技术手段,利用独有的新型金属微纳导电材料,顺利地建构出有了多种新型高性能微型电子器件和储能器件,如可剪裁、异形、柔性超薄的超级电容器元件,新型高性能镍锌电池,贴片式高灵敏度微型熔断电源元件等,涉及成果分别公开发表在NatureCommunications(2015)、AdvancedMaterials(2016)、Energy&EnvironmentScience(2014,2014,2017)、ACSNano(2015,2017)、NanoEnergy(2016,2016,2017)等国际高水平杂志上。


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