鋰金屬作為鋰二次電池的“圣杯”負(fù)極材料，具有3860毫安時(shí)/克的高比容量以及最低的氧化還原電位，既可以被應(yīng)用于鋰空氣、鋰硫等高能量密度體系中，也可以與鋰離子正極材料配對(duì)實(shí)現(xiàn)二次電池能量密度的大幅度提升。然而，受制于鋰金屬沉積過程中的不規(guī)則枝晶生長以及鋰金屬與電解液的不可逆反應(yīng)，鋰金屬負(fù)極在循環(huán)過程中會(huì)形成極度不穩(wěn)定的電極/電解液界面，快速損耗電池容量和增加電池內(nèi)阻，導(dǎo)致鋰金屬負(fù)極在電池中的實(shí)際應(yīng)用依然受到諸多挑戰(zhàn)。

　　針對(duì)鋰金屬界面不穩(wěn)定的頑疾，中國科學(xué)院波材料技術(shù)與工程研究所新型儲(chǔ)能材料與器件團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的界面多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過空間限域方式抑制鋰金屬電極不規(guī)則的表面體積膨脹，減輕沉積鋰金屬對(duì)其界面鈍化層的機(jī)械壓力，從而改善了鋰金屬界面SEI膜易破損的問題，并實(shí)現(xiàn)了鋰金屬負(fù)極庫倫效率及循環(huán)壽命的顯著提升（圖1）。在第一代模型中，科研人員通過使用氧化鋁孔隙層結(jié)合FEC成膜添加劑的復(fù)合方法，將沉積鋰金屬抑制在氧化鋁孔隙中的同時(shí)，形成一種機(jī)械性能優(yōu)異的SEI膜貫穿于孔隙結(jié)構(gòu)中，兩者相互協(xié)同效應(yīng)，有效地將鋰金屬在碳酸酯電解液中的庫倫效率提升至97.5-98%（J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 2427-2432）。在第二代模型中，科研人員用3D集流體孔隙結(jié)構(gòu)代替無機(jī)孔隙層，在維持一代模型優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，進(jìn)一步減小局部電流密度，延緩枝晶生長以及延長鋰金屬的循環(huán)壽命至150周以上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 26801-26808）。在第三代模型中，通過使用不定型碳為孔隙骨架，科研人員發(fā)現(xiàn)一種高比表面積三維生長的SEI膜能進(jìn)一步提升鋰金屬的循環(huán)壽命，該工作發(fā)表在J. Mater. Chem. A,上。

　　近期，該團(tuán)隊(duì)與中科院上海硅酸鹽研究所研究員郭向欣、美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室教授張繼光合作，開發(fā)了一種可移植性富LiF層作為器件化的鋰金屬保護(hù)膜（圖2）。該保護(hù)膜由交聯(lián)的納米級(jí)LiF域構(gòu)成，可將新沉積的金屬鋰與電解液溶劑隔開，避免直接接觸及副反應(yīng)，從而大幅度提升鋰金屬負(fù)極的循環(huán)性能。此外，這種可移植保護(hù)膜能夠直接用作眾多鋰金屬電池體系的獨(dú)立保護(hù)組件，對(duì)電池性能的提升具有很好的促進(jìn)作用。此部分研究成果發(fā)表在Nano Energy上。

　　以上工作獲得了中國博士后基金面上一等資助、中國博士后基金特別資助、寧波市自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金外籍青年研究人員項(xiàng)目以及中科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

圖1.用于鋰金屬負(fù)極保護(hù)的不同界面孔隙結(jié)構(gòu)。

圖2.一種可移植性富LiF層作為器件化的鋰金屬保護(hù)膜。