清華化工系張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作建立保護(hù)金屬鋰負(fù)極的可移植界面

清華新聞網(wǎng)2月17日電 金屬鋰以極高的容量（3860 mA h g-1）和最負(fù)的電勢(shì)（-3.040 V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）而成為儲(chǔ)能界的“圣杯”，是下一代高能電池最有前景的負(fù)極材料之一。以金屬鋰為負(fù)極的鋰硫電池的理論能量密度高達(dá)2600 Wh kg-1，有著巨大的產(chǎn)業(yè)前景。但負(fù)極枝晶生長(zhǎng)是限制鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰金屬固態(tài)電池的共性問(wèn)題。金屬鋰異?；顫?，容易與電解液反應(yīng)，引發(fā)鋰離子和電子在界面處的不均勻分布，帶來(lái)樹(shù)枝狀鋰枝晶的沉積。鋰枝晶一方面可能刺穿隔膜，到達(dá)電池正極造成電池短路、熱失控、著火爆炸等一系列安全隱患，另一方面也會(huì)加劇金屬鋰和電解液的反應(yīng)，導(dǎo)致死鋰的出現(xiàn)，降低電池利用率和使用壽命。

在含硝酸鋰和多硫化鋰的醚類(lèi)電解液作為誘導(dǎo)劑，通過(guò)電沉積在金屬鋰表面沉積固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)膜。所得含可移植界面膜的金屬鋰可以用于醚類(lèi)或者酯類(lèi)電解質(zhì)，構(gòu)筑鋰硫電池或鋰金屬二次電池。

為了構(gòu)建穩(wěn)定的固液界面，抑制枝晶生長(zhǎng)，清華大學(xué)張強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)及其河南師范大學(xué)合作者采用含硝酸鋰和多硫化鋰的醚類(lèi)電解液作為誘導(dǎo)劑，通過(guò)電沉積的方法預(yù)先在金屬鋰表面沉積一層可移植的固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)膜。含有保護(hù)膜層的金屬鋰可以移植到不含任何負(fù)極保護(hù)劑、添加劑的電解液中穩(wěn)定利用，抑制鋰枝晶形成和生長(zhǎng)效果顯著，提高了負(fù)極利用率。如果電池采用硫或者三元氧化物正極材料，分別在醚類(lèi)或碳酸酯類(lèi)電解液中與上述帶有固態(tài)電解質(zhì)界面膜的金屬鋰配合使用，固態(tài)電解質(zhì)保護(hù)膜可以移植到新體系電池中抑制金屬鋰枝晶生長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高能量密度、高穩(wěn)定性鋰硫電池、鋰金屬電池提供了廣闊的前景。

含可移植固態(tài)電解質(zhì)界面膜（SEI）的金屬鋰和氧化物、硫等正極在醚類(lèi)或者酯類(lèi)電解質(zhì)中構(gòu)筑多種高能量密度鋰金屬電池。

另外，該項(xiàng)工作提供一種保護(hù)金屬鋰負(fù)極的新方法。通過(guò)構(gòu)筑可移植固態(tài)電解質(zhì)界面膜，使得本不兼容的體系可以協(xié)同作用于金屬鋰，有效保護(hù)金屬鋰表面，實(shí)現(xiàn)金屬鋰電池的穩(wěn)定循環(huán)。這方法不僅適用于金屬鋰體系，對(duì)于鋰電池和其他高能鈉電池、鎂電池和鋅電池同樣具有重要借鑒意義。

相關(guān)工作于以《金屬鋰電池中的可移植固態(tài)電解質(zhì)界面膜》(Implantable Solid Electrolyte Interphase in Lithium Metal Batteries)為題發(fā)表在細(xì)胞出版社的《化學(xué)》（Chem）期刊上。作為《細(xì)胞》（Cell）的姊妹刊，《化學(xué)》（Chem）是一本致力于展示基礎(chǔ)化學(xué)及其子學(xué)科最新進(jìn)展、以及應(yīng)對(duì)未來(lái)全球變化的頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊。

該工作的通訊作者為清華大學(xué)化工系博士生導(dǎo)師張強(qiáng)，共同第一作者為清華大學(xué)博士生程新兵和河南師范大學(xué)碩士生閆崇。清華大學(xué)化工系博士生陳翔、機(jī)械系本科生管超、化工系副研究員黃佳琦（現(xiàn)北京理工大學(xué)教授）、化工系博士生彭翃杰、化工系博士生張睿以及河南師范大學(xué)化學(xué)系楊書(shū)廷教授是本文的共同作者。該項(xiàng)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目、清華大學(xué)計(jì)算平臺(tái)的支持。

論文鏈接：

http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30027-X

供稿：化工系 編輯：李華山