清华大学|张强教授课题组AFM：复合锂负极设计新思路：自调节压力调控金属锂均匀沉积- 大数跨境

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清华大学|张强教授课题组AFM：复合锂负极设计新思路：自调节压力调控金属锂均匀沉积

科学材料站

2020-10-27

导读：本文首次采用自调节压力策略调控复合负极限域空间内的金属锂沉积脱出行为，巧妙选择模型体系，结合理论计算和实验表征，证明了自调节压力对于金属锂沉积脱出行为的调节作用。

文章信息

复合负极中自调节压力调控金属锂均匀沉积

First published: October 23, 2020

第一作者：石鹏

通讯作者：张强*

单位：清华大学

研究背景

由于便携式电子设备和电动汽车需求的不断增加，传统的锂离子电池越来越不能满足人们的需求。金属锂由于其自身较高的比容量（3860 mAh/g）和极低的电极电势（−3.040 V vs.标准氢电极电势），因此其被认为是目前高能量密度电池中最有前途的负极材料，获得了研究者们广泛的关注。

但在实际的应用中，金属锂负极不可控的枝晶生长、体积膨胀所带来的安全问题严重的限制了金属锂电池的实用化。三维骨架材料可以有效降低负极的比表面积，均化锂离子流，是调控金属锂沉积脱出行为的有效手段，可以有效改善金属锂循环过程中的体积形变以及枝晶生长的问题。但是在采用三维骨架材料对金属锂的沉积脱出行为进行调控时，往往忽略三维骨架孔结构内部金属锂的沉积脱出行为，在孔道结构中产生的枝晶以及死锂会堵塞孔结构进而引起三维复合负极的失效。

因此，调控复合负极内部孔结构中的金属锂沉积脱出行为十分重要，需要我们在理解其行为规律的基础上提出新思路。

导师专访

Q: 该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

金属锂是目前最有前途的负极材料之一，也获得了研究者们广泛的关注。但是金属锂负极在循环过程中不均匀的沉积行为一直限制着金属锂的应用。针对实用化条件下锂金属电池面临的挑战

该工作提出了一种自调节压力策略来调节复合负极限域空间中金属锂的沉积和脱出行为，巧妙选择模型体系，结合理论计算和实验表征，证明了自调节压力对于金属锂沉积脱出行为的调节作用，加强了对复合负极内部微米级锂金属沉积过程中电化学行为的理解，有助于人们进一步探索金属锂沉积和脱出过程中的电化学-力学耦合机制。具有自调节压力复合负极的纽扣电池在实用化条件下实现了优异的性能，其实用化潜力也在1.0 Ah软包电池中得到了验证。

文章简介

近日，清华大学化工系张强教授（通讯作者）团队，在Advanced Functional Materials（影响因子：15.621）期刊上发表题为“A Pressure Self-Adaptable Route for Uniform Lithium Plating and Stripping in Composite Anode”的研究性论文。

文章提出一种引入自调节压力的策略来调控复合负极孔结构中的金属锂沉积脱出行为。首先，在复合负极的孔结构内填充机械性能良好的聚合物，在金属锂沉积时，孔结构中的沉积锂对聚合物产生机械作用，金属锂会受到来自聚合物的反向作用力，作用力的大小随着沉积锂的增加而增加。

孔结构中的沉积锂在自调节压力的作用下，沉积和脱出行为更加均匀。具有自调节压力复合负极的纽扣电池在实用化条件下实现了优异的性能，其实用化潜力也在1.0 Ah软包电池中得到了验证。该工作证明了自调节压力策略在金属锂实用化道路上的潜力，推动了金属锂负极的实用化进展。

本文要点

要点一：首次采用自调节压力策略调控复合负极限域空间内的金属锂沉积脱出行为，巧妙选择模型体系，结合理论计算和实验表征，证明了自调节压力对于金属锂沉积脱出行为的调节作用。

要点二：加强了对复合负极限域空间内部微米级金属锂电化学行为的理解，有助于人们进一步探索金属锂沉积和脱出过程中的电化学-力学耦合机制。

要点三：具有自调节压力复合负极的纽扣电池中在实用化条件下实现了优异的性能，其实用化潜力也在1.0 Ah软包电池中得到了验证。

导师专访

Q: 您对该领域的今后研究的指导意见和展望

锂电池领域是一个应用导向性的新兴学科，它使我们人类的生活更加清洁和美好。因此，其研究一定要聚焦于提高电池本身的性能，针对电池本身发挥作用所需要的知识来开展研究。从学术上讲，现代材料及表征平台将进一步理解工作状态条件下电池的电子、分子及之间相互作用，从而可以实时原位从动态能带、价键角度理解锂电池中能量存储的原理；从实用角度分析，便携电子设备和电动汽车发展给锂电池的发展注入持久的动力，新商业模式也会促进锂电池在大型储能的应用。

张强教授

第一作者专访

1.该研究的设计思路和灵感来源

三维骨架材料可以有效降低负极的比表面积，均化锂离子流，是调控金属锂沉积脱出行为的有效手段，可以有效改善金属锂循环过程中的体积形变以及枝晶生长的问题。

但是在采用三维骨架材料对金属锂的沉积脱出行为进行调控时，往往忽略三维骨架孔结构内部金属锂的沉积脱出行为，在孔道结构中产生的枝晶的生长以及产生的死锂会堵塞孔结构进而引起三维复合负极的失效。

同时，金属锂的屈服强度较低，在软包电池中加一定的压力可以使金属锂在沉积的时候产生形变，有效提高金属锂的利用率。如果在三维骨架的孔结构中引入大于金属锂屈服强度的机械作用力，可以有效限制孔结构内部锂枝晶的生长。

2.该实验难点有哪些？

三维骨架材料的孔结构在微米级尺度，原位压力的引入和测量都很困难。我们采用机械性质良好的聚丙烯腈有机材料对骨架进行填充，利用金属锂沉积的时候产生的反作用力来抑制金属锂枝晶的生长，该作用力也是可以根据金属锂的沉积量进行自我调节的。

由于原位压力的测量受限于压力传感器的局限性，本工作采用有限元模拟的方式计算了当采用PAN作为聚合物填充物时，在金属锂沉积的过程中界面处产生的压力（＞500 MPa）会大于沉积金属锂的屈服强度（100 MPa），实现了对该策略的验证。

3.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

针对实用化条件下锂金属电池面临的挑战，三维骨架的引入可以有效的调控金属锂的沉积脱出行为，在该工作中，我们对复合负极限域空间内部的金属锂沉积脱出行为进行了研究，采用自调节压力策略实现了对复合负极内部锂沉积脱出行为的控制。

紧接着，我们装配了具有自调节压力复合负极的全电池，该电池在160次循环后仍然具有80％的高容量保持率，是普通金属锂电池寿命的三倍。

另外，1.0Ah的软包电池也实现了60次以上的稳定循环。本工作证明了具有自调节压力的复合负极在金属锂实用化道路上的潜力，有助于早日实现金属锂的实用化。

文章链接

A Pressure Self‐Adaptable Route for Uniform Lithium Plating and Stripping in Composite Anode

https://doi-org.proxy.lib.uwaterloo.ca/10.1002/adfm.202004189

通讯作者介绍

张强，清华大学长聘教授、博士生导师

2000年进入清华大学完成了本科及研究生的学习，2009年获博士学位后先后赴美国凯斯西储大学、德国马普协会Fritz Haber研究所开展研究工作。2011年加入清华大学从事教学科研工作至今。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、教育部青年科学奖、北京青年五四奖章、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、清华大学刘冰奖。2017-2019年连续三年被评为“全球高被引科学家”。

课题组介绍

张强教授课题组致力于能源材料化学/化工领域研究。高效的储能系统是当代交通、能源工业、消费电子产业的核心支柱。寻找新的高容量密度的电极材料和能源化学原理，获得高比能储能系统是当今能源存储和利用的关键。该研究团队深入探索锂硫电池这类依靠多电子化学输出能量的化学电源的原理，提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂配合物概念，并根据高能电池需求，研制出固态电解质界面膜保护的锂负极及碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。

针对锂金属负极，提出了亲锂化学，通过先进手段研究固态电解质膜，通过引入纳米骨架、表面修饰保护层等方法调控金属锂的沉积行为，实现金属锂电池的高效安全利用。这些相关研究工作先后发表在《先进材料》《美国化学会会志》《德国应用化学》《能源存储材料》《化学》《焦耳》《自然通讯》《美国科学院院报》等知名期刊上。

近期，该研究团队在《化学评论》上进行了二次电池中安全金属锂负极评述。该研究团队在锂硫电池、金属锂负极领域也申请了一系列中国发明专利和PCT专利。所指导的研究生中，张学强等获得清华大学学术新秀；李博权等获得清华大学特等奖学金；陈筱薷、赵长欣获得全国挑战杯特等奖。