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锂金属负极,如何做到既稳定又能伸缩?

2018-7-2
        近日,来自斯坦福大学的研究人员首次制备了具有稳定机械性能和电化学性能的可拉伸锂金属负极。相关研究已经以题为“Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability”[1]的文章发表于期刊Joule上。
锂金属负极,如何做到既稳定又能伸缩?
        柔性可穿戴电子装置或设备具有较大的机械灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足人体对于设备的形变要求,成为近年来的研究热点。可伸缩电池是柔性电子设备的关键组件,但是由于其常用的电活性物质(如钛酸锂)的锂储存能力低,通常表现出低能量密度。锂金属是理想的负极材料,但是它在经历拉伸变形后,容易发生不可逆的塑性形变,进而发生断裂,并且锂负极的电化学性能不稳定。如何同时提高材料的拉伸性能和循环稳定性是目前研究的主要困难。
        去年,该研究团队从可伸缩整体器件设计出发,基于波浪结构利用简单方法设计出可伸缩全电池(Adv. Energy Mater.[2]),所有的组件,包括正极、负极,隔膜,集流体、外壳等都可以同时进行拉伸,并表现出了优异的能量密度和循环性能。在本项研究中,他们研究了可伸缩电极材料,用锂金属作为电池负极,实现了可拉伸性。他们将直径为150微米的铜丝做成“一维”铜弹簧,再进一步将“一维”铜弹簧按照“阿基米德”图案卷绕成“二维”弹簧。然后将聚(乙烯-异丁烯-苯乙烯)橡胶(SEBS)溶液注入到弹簧的螺纹缝隙中,等溶剂挥发干后即可得到“金属-橡胶”复合的二维电极。通过进一步的电沉积锂金属,即可得到可伸缩的弹性锂负极。
锂金属负极,如何做到既稳定又能伸缩?
        该锂金属负极抗机械冲击能量强,能够保证电化学反应的稳定进行,在往复的机械变形后,库伦效率衰减很小,并极大提高了电极的有效面积,降低了局域电流密度,抑制了锂枝晶的生长。制备过程高效简单,并且提升了锂金属电极的拉伸性能和循环稳定性。该制备方法有望突破柔性可穿戴设备发展的瓶颈,并促进可伸缩锂金属电池的发展。
参考文献
[1] Kai Liu, Biao Kong, Wei Liu, et al. Stretchable Lithium Metal Anode with Improved Mechanical and Electrochemical Cycling Stability. Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.003.
[2] Wei Liu, Jun Chen, Zheng Chen, et al. Stretchable Lithium-Ion Batteries Enabled by Device-Scaled Wavy Structure and Elastic-Sticky Separator. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701076.
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑