中科院青岛能源所黄长水研究员团队AFM：自调节诱导沉积海藻状金属锂负极改善锂金属电池的循环稳定性- 大数跨境

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中科院青岛能源所黄长水研究员团队AFM：自调节诱导沉积海藻状金属锂负极改善锂金属电池的循环稳定性

科学材料站

2021-02-22

导读：本文报道了一种通过诱导沉积的方法直接在集流体表面实现亲锂活性位点的精准构筑从而可控制备薄层海藻草金属锂负极以提高锂金属电池循环稳定性。

文章信息

自调节诱导沉积海藻状金属锂负极改善锂金属电池的循环稳定性

第一作者：王坤

通讯作者：黄长水*

单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

研究背景

随着智能手机、电动汽车等产业的高速发展，人们对兼具高能量密度、高安全性的二次储能电池的需求日益增长。锂金属具有高理论容量、低电势等优势，是高比能电池的理想负极材料。然而锂枝晶的形成和生长严重限制了金属锂电池的循环寿命和使用安全。

如何更好的调控金属锂在电化学沉积界面的成核以及沉积行为、抑制电化学反应过程中锂枝晶生长是实现金属锂负极在高能量密度二次电池应用的关键。

文章简介

近日，中科院青岛能源所黄长水研究员团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Self‐Regulation Seaweed‐Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery”的研究工作。

作者报道了一种通过诱导沉积的方法直接在集流体表面实现亲锂活性位点的精准构筑从而可控制备薄层海藻草金属锂负极以提高锂金属电池循环稳定性。

制备的金属锂负极呈现独特的海藻状形态有利于稳定金属锂沉积界面，抑制锂枝晶的不均匀分布，同时减轻了电化学循环过程中锂的体积膨胀与粉化失效，从而获得了优异循环稳定性。

本文要点

要点一：铜集流体表面由活性乙炔键和噻吩单元组成的超薄的噻吩炔层（TD）修饰，采用一种简便、可控的自调节诱导沉积工艺制备海藻状金属锂负极。

图1. 海藻状金属锂制备过程以及形貌

通过将具有较大电负性和亲锂作用的含硫噻吩官能团与炔键相连，可以改善并扩展噻吩炔的共轭结构，使Li原子与铜箔表面的亲锂噻吩炔修饰层中均匀分布的活性亲锂点位之间具有较强的结合能，从而实现噻吩炔表面的锂的均相成核并调节锂金属的均匀成核和生长，有利于形成由单个金属锂棒形成的金属锂薄层，如图1所示。

研究结果表明，海藻状的金属锂薄层均匀的沉积在由超薄TD层形成的SEI表面，并且沉积厚度可以通过电沉积的电流密度进行调控，可以简单的实现不同厚度的薄层金属锂负极的可控制备。

要点二：海藻状金属锂与铜箔上直接沉积的块状金属锂相比体现出优异的循环稳定性。

制备的海藻状金属锂与铜箔上直接沉积的块状金属锂相比，在对称锂金属电池中体现出较低的成核过电势与界面阻抗。

同时得益于独特的海藻状形貌在对称电池中表现出优异的循环稳定性，这说明海藻状金属锂更适合维持长时间循环过程中的电镀剥离稳定性，如图2所示。由海藻状锂金属负极和Li4Ti5O12作为正极组装的全电池在1000多个循环中具有优异的容量保持率。

要点三：通过理论计算与原位测试，进一步揭示了海藻状金属锂的成核机理与沉积过程，为通过对诱导沉积层均匀分布的亲锂活性点位的调控从而控制锂金属的形貌并获得稳定的薄层金属锂负极提供了一种简便的策略。

图3. 海藻状金属锂在噻吩炔上成核与沉积过程示意图

通过理论计算明确了噻吩中均匀分布的硫原子与炔键形成的协同效应增强锂与成核活性位点之间的相互作用，优化整个碳骨架区对于锂的均匀吸附能力，实现TD界面亲锂活性位点的精准构筑。

同时利用硫原子与炔键协同调控电荷在锂与TD界面的转移与传输性能，均匀的分散沉积界面的电流密度，降低锂的成核过电势从而诱导锂均匀成核。

图4. 海藻状金属锂沉积过程的原位测试

通过原位扫面电镜与原位拉曼测试对金属锂沉积过程中的形貌以及基于炔键强度的变化进行了测试，进一步证实了海藻状金属锂的自调节形成过程。引入的活性乙炔键和噻吩单元组成的超薄的TD层通过与电解液相互作用形成更加致密的SEI膜，均匀分布的成核活性点位促进了金属锂在沉积界面的均匀多点形核和沉积，并调控了锂的沉积行为，从而获得了独特的海藻状金属锂负极。

这些结果为通过电沉积工艺在锂沉积界面实现亲锂活性位点的精准构筑制备具有特定形貌的薄层锂金属负极提供了一种简便而可控的策略。我们相信，这项工作将有助于加深对金属锂沉积机理的认识，推动薄层金属锂负极在高能密度电池中的应用。

文章链接

Self-Regulation Seaweed-Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202009917

通讯作者介绍

黄长水研究员。

黄长水研究员2008于中国科学院化学研究所有机固体实验室获得博士学位，师从李玉良院士。2010年至2014年于美国威斯康辛大学(麦迪逊)开展研究。回国后加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所工作，目前担任中国科学院青岛生物能源所研究员，博士生导师，碳基材料与能源研究组负责人。课题组主要致力于石墨炔基新型二维材料的制备及其在能源存储和转化方面的应用，相关成果目前已在Chem. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem.等国际权威期刊发表百余篇高影响力论文。

第一作者介绍

王坤，中科院青岛生物能源与过程研究所助理研究员。

2014年于日本国立长冈技术科学大学能源环境专业获得工学博士学位。2014年至2016年在深圳贝特瑞新能源公司从事锂离子电池负极材料开发。2016年7月起于中科院青岛生物能源与过程研究所从事新型碳基储能材料开发以及在新型储能器件应用相关研究。目前以第一作者和共同通讯作者在Adv. Funct. Mater, ACS Appl. Mat. Interfaces, Carbon等杂志发表SCI论文20余篇。

课题组介绍

黄长水课题组网址：http://cs.qibebt.ac.cn/

课题组招聘

见课题组网址：http://cs.qibebt.ac.cn/