锂金属负极稳定技术解析

【背景介绍】

全球能源危机和环境恶化加速了绿色能源技术的发展，继而引起了人们对锂离子电池（LIB）在内的绿色储能技术的广泛关注。从上世纪90年代开始，LIBs的商业化极大地推动了包括笔记本、移动电话等便携式电子产品的发展和普及。然而近年来，随着电动汽车及其他先进便携式电子产品的快速发展，目前的锂离子电池已经逐渐不能满足其需求。在这种背景下，高能量密度电池已成为当前的研究热点领域，相关研究成果受到广泛的关注。锂金属负极由于具有较高的理论比容量及最低的负极电化学势而有望成为高能量密度锂电池中理想的负极材料，然而其使用过程中容易形成枝晶，并由此引发的电池安全性等问题严重阻碍了锂负极的实际应用。因此解决锂金属负极在使用过程中存在的枝晶问题，具有重要的科学意义及实用价值。

【成果简介】

近日，中国科学院化学研究所王书华博士（第一作者）和郭玉国研究员（通讯作者）报道了通过在垂直微孔孔道中调节锂的沉积/溶解来得到稳定的锂金属负极，进而抑制锂枝晶的生长。他们系统分析了多孔铜集流体结构参数对电流密度分布的影响以及锂在不同尺寸的多孔铜集流体内的形貌演化。通过COMSOLMultiphysics理论模拟，发现尖端效应导致锂在微孔道壁内的优先沉积，相比平板铜，他们设计的集流体具有较大的比表面积和孔体积，有效减少了金属锂在集流体表面的沉积，进而抑制了锂枝晶的生长。研究发现，具有多孔铜集流体的锂负极，具有较高的循环稳定性，200圈内平均库伦效率约98.5％。此外，基于此种集流体所组装的LiFePO4/Li全电池表现出优异的倍率性能和稳定的循环性能。相关成果以题为“StableLiMetalAnodesviaRegulatingLithiumPlating/StrippinginVerticallyAlignedMicrochannels”发表在了AdvancedMaterials上。

【图文导读】

图1多孔铜集流体示意图及模拟计算分析

a）设计的多孔铜集流体示意图

b-d）多孔铜集流体上表面的电流密度分布模拟结果，图中标尺为10μm。

e）锂优先沉积在多孔铜管壁上的示意图

f，h，j，l）具有不同孔半径的多孔铜上表面SEM图

g，i，k，m）具有不同孔半径的多孔铜的断面SEM图

图2锂在不同孔半径的铜集流体上沉积形貌的演变

a-d）半径分别为5μm，7.5μm，10μm及15μm的多孔铜集流体上沉积锂的SEM图

e）在平板铜上沉积锂的SEM图

f）Li沉积在不同孔尺寸集流体内的过电势比较