內共生氮化鋰/纖維素層延長鋰金屬負極循環壽命
時間：2021-04-06 來源：中國科學報
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒、張洪章帶領的研究團隊，在具有長循環壽命的鋰金屬電池研究方面取得新進展。相關研究成果發表于《德國應用化學》。
鋰金屬具有理論容量密度高、電化學電勢低等特點，是理想的高能量密度電池負極。然而鋰金屬活性高，容易與傳統電解質發生不可控的副反應，形成固態電解質界面層（SEI）的化學和機械穩定性較差，一方面，循環過程中SEI的反復破裂會加速死鋰的形成和不可逆的活性鋰/電解質損失；另一方面，溶劑誘導形成的SEI機械性能較差，不足以抑制鋰枝晶的生長，導致枝晶刺穿隔膜造成電池短路。
該研究中，團隊在電解液中引入一種新型添加劑——硝化纖維素，構建內共生的氮化鋰/纖維素雙層SEI（ES—DSEI），并用于鋰金屬電池中。ES—DSEI在用于鋰金屬保護中具有獨特優勢，硝化纖維素會優先與鋰反應，一步實現在鋰表面構建聚合物/無機層；外層的柔性聚合物層能夠適應鋰金屬在循環過程中的體積變化，其強粘附性還能抑制內層無機物的剝離；內層的無機層具有機械強度高的特點，可以抑制枝晶的生長，且晶型的氧化鋰和氮化鋰層也有利于鋰離子傳輸。團隊利用密度泛函理論模擬計算證明，相較于鋰鹽陰離子和溶劑，硝化纖維素具有更低的最低未占據分子軌道能量。此外，硝化纖維素的硝基基團更易于與金屬鋰反應，在近鋰內層形成LiNO2等無機物種，而其主鏈則靠Li-O鍵緊密吸附在遠鋰外層。與未添加硝化纖維素的電解液相比，鋰負極在含有硝化纖維素為添加劑的電解液中循環壽命提高了1倍。該工作為長壽命鋰金屬負極的設計提供了新思路。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202017281
