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人工SEI膜“锚定”在集流体上，实现超长寿命锂金属负极
2019-04-10
来源：转载自第三方
锂离子电池自从1991年被商业化以来，在人们的日常生活中得到了广泛的应用。但是随着移动便携设备（如手机、平板电脑等）用电需求的不断增大，对更高能量密度锂离子电池的需求也更加紧迫。但是传统锂离子电池多采用石墨等作为负极材料，其理论容量有限，如今的商用化锂离子电池也越来越接近其理论比容量。因此需要发展下一代高能量密度的锂电池。金属锂负极材料的理论能量密度可以得到石墨负极的十倍左右，因此是下一代锂电池理想负极材料。
金属锂充电中出现的弊端
然而金属锂作为电池负极，在充放电过程中一直存在着三方面的问题，包括金属锂直径生长导致的短路问题；金属锂和有机溶剂有极高的化学反应活性导致的低库伦效率；金属锂沉积溶解过程引起的体积变化。这些问题一直阻碍着金属锂电池的应用。针对这些问题，主要有两种解决方法：（1）构建三维结构集流体，其较高的比表面积可以有效地降低实际电流密度，从而实现均匀沉积，三维结构还可以缓冲金属锂沉积带来的体积变化。（2）在金属锂表面构建人工SEI膜。人工SEI膜可以阻挡电解液和金属锂直接接触，抑制金属锂枝晶的生长，从而可以解决枝晶生长和金属锂高反应活性的问题。但是沉积溶解带来的体积变化会导致人工SEI膜与集流体的剥离，引起SEI膜的失效。
实现金属锂超长寿命
复旦大学夏永姚、王永刚团队针对以上问题，在金属锂负极研究和应用中，认识到SEI膜和集流体紧密结合的重要性。研究人员通过调控高温热处理方法，以具有优异锂离子电导率的石榴石型固体电解质LLZTO为人工SEI膜。一方面保持高离子电导的立方相LLZTO，同时使得界面处的LLZO与集流体发生化学扩散，使人工SEI膜紧紧地“锚定”在集流体上，保证了较强的化学结合力，因此可以承受金属锂沉积溶解带来的体积变化。在具体实验中，研究人员将LLZTO粉末超声分散在异丙醇中，滴在铜箔上，进而真空80摄氏度真空干燥，得到Cu foil-LLZTO电极。然后在将Cu foil-LLZTO电极片在氩气气氛保护下900摄氏度烧结4小时，得到Cu foil-LLZTO-900。在高温作用下，在铜箔和LLZTO层之间，原子运动变得活跃，会发生两个界面层之间的互相扩散。
研究人员将以上烧结得到的Cu foil-LLZTO、Cu foil-LLZTO-900和铜箔作为正极，金属锂作为负极，组装电池。半电池和对称电池结果表明，Cu foil-LLZTO-900电极具有优异的电化学性能。其库伦效率最高，循环圈数最多，而且极化也最小。同时对称电池的寿命达到了4000小时以上。但是在增加铜箔比表面积较小，Cu-foil-LLZTO-900电极的锂沉积量最多只能到4 mAh cm-2，而且在这一沉积量条件下，其半电池循环圈数只能达到60多圈。因此为了提高金属锂的沉积量，选用了比表面积更大的商品化泡沫铜。同样的处理方法得到了Cu foam-LLZTO-900。
铜箔有限的比表面积，限制了金属锂沉积量的提高。因此选择将LLZTO固体电解质层固定在三维泡沫铜表面，得到Cu foam-LLZTO-900电极。半电池结果表明，Cu foam-LLZTO-900半电池循环圈数可以达到1200圈以上，其平均库伦效率在98%以上。而且金属锂的沉积量可以做到8 mAh cm-2。
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