▲通訊作者：盧云峰 (UCLA), 劉肖燕(上海師大), 肖勝雄 (上海師大)
通訊單位：上海師范大學(xué)&UCLA
DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106214
金屬鋰因其具有極高的理論容量(3860 mAh·g-1)、最低的電極電位(-3.04 V vs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極)和低的密度(0.534 g·cm-3)，被認(rèn)為是最具潛力的電池負(fù)極材料。然而鋰金屬電池的壽命卻受限于鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定性問題嚴(yán)重阻礙了鋰金屬負(fù)極的發(fā)展，所以如何改變鋰金屬在電化學(xué)沉積過程中的晶體生長(zhǎng)行為，促進(jìn)其均勻致密沉積被認(rèn)為是優(yōu)化鋰金屬電池性能的關(guān)鍵。其中，通過在電極表面構(gòu)建人造保護(hù)膜是一種可以有效地調(diào)控鋰離子沉積行為，且抑制鋰枝晶生長(zhǎng)的簡(jiǎn)單而高效的策略。
近日，上海師范大學(xué)肖勝雄教授和劉肖燕講師，以及UCLA盧云峰教授課題組在《Nano energy》上發(fā)表了題為“Negatively Charged Polymeric Interphase for Regulated Uniform Lithium-ion Transport in Stable Lithium Metal Batteries”的研究論文，通過原位自聚反應(yīng)合成制備了一種新型的聚合物poly-2,3,7,8-tetrakis((trimethylsilyl)ethynyl)pyrazino[2,3-g]quinoxaline-5,10-dione (PPQ)作為鋰金屬保護(hù)膜。
▲圖一 PPQ人工保護(hù)膜在鋰金屬表面的合成及其抑制鋰枝晶生長(zhǎng)效果示意圖。
要點(diǎn)：在室溫下，采用快速簡(jiǎn)易的旋涂方式，通過單體PQ在鋰金屬負(fù)極表面上原位自聚反應(yīng)，形成一層薄且致密的PPQ聚合物保護(hù)膜。該人工保護(hù)膜的優(yōu)點(diǎn)包括：1）具有負(fù)電性框架結(jié)構(gòu)，可排斥電解液中的陰離子；2）含有豐富的官能團(tuán)，比如炔鍵、N、O雜原子等，可有效地提高鋰離子的遷移速度；3）即使浸潤(rùn)在電解液中仍具有較高機(jī)械強(qiáng)度，可以有效地抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。要點(diǎn)：恒壓極化測(cè)試表明，使用PPQ電解質(zhì)界面膜，鋰離子遷移數(shù)（tLi+）可高達(dá)0.74，電池的庫(kù)倫效率也得到了提升。對(duì)稱電池循環(huán)性能測(cè)試表明，有PPQ涂覆的鋰金屬負(fù)極在循環(huán)過程中較普通鋰負(fù)極有著更小的過電勢(shì)和界面阻抗。▲圖三 鋰對(duì)稱電池循環(huán)后的界面表征。
要點(diǎn)：在鋰沉積/剝離循環(huán)100圈后，用AFM表征電極的界面形貌和ZETA電位分布狀況，發(fā)現(xiàn)對(duì)照組由于鋰離子在負(fù)極表面的不均勻沉積，體積膨脹嚴(yán)重，且電位分布不均勻，而實(shí)驗(yàn)組表面平整，且電位分布均勻。此外，從SEM圖可以更直觀地觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)組鋰金屬表面依然保持平整致密，而對(duì)照組表面松散且產(chǎn)生了明顯的枝晶。▲圖四 匹配商用三元鎳鈷錳酸鋰(NCM)正極及鋰負(fù)極的全電池長(zhǎng)循環(huán)與倍率性能測(cè)試。
要點(diǎn)：匹配商用NCM（~3 mAh cm-2）電極進(jìn)行全電池測(cè)試，實(shí)驗(yàn)組全電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性都得到了顯著的提升。https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106214盧云峰 (Yunfeng Lu)，加州大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)與生物分子工程系教授。博士就讀于新墨西哥大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，師從C. Jeffrey Brinker。在2005 年同時(shí)獲得總統(tǒng)科學(xué)家和工程師早期職業(yè)獎(jiǎng)(Presidential Early Career Awards for Scientists and Engineers )；美國(guó)能源部早期職業(yè)科學(xué)家和工程師獎(jiǎng) (Early Career Scientist and Engineer Awards, Department of Energy)；美國(guó)化學(xué)會(huì)聯(lián)合利華獎(jiǎng) (Unilever Award, American Chemical Society, Division of Colloid and Surface Chemistry)。研究方向：能源存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)化; 藥物遞送及納米醫(yī)學(xué)。
劉肖燕，上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院講師。2017年博士畢業(yè)于天津大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，師從單忠強(qiáng)教授，2014年-2016年在美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校盧云峰教授研究組聯(lián)合培養(yǎng)，后加入上海師范大學(xué)從事博士后研究。主要從事電化學(xué)儲(chǔ)能材料及器件的研究，包括鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池等，已在Nano Energy，Nano Lett.，ACS Energy Lett., J. Mater. Chem. A等國(guó)際期刊發(fā)表論文20余篇，主持和參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、上市科委科研項(xiàng)目等。
肖勝雄，上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授，上海市特聘教授（東方學(xué)者）。1999年本科畢業(yè)于武漢大學(xué)，2002年碩士研究生畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，導(dǎo)師李玉良院士，2007年博士畢業(yè)于美國(guó)哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系，師從Colin Nuckolls教授，后加入美國(guó)斯克利普斯（The Scripps Research Institute）研究所從事博士后研究，導(dǎo)師Julius Rebek, Jr. 教授。肖教授主要從事有機(jī)光電材料、納米碳材料的設(shè)計(jì)與合成，以及有機(jī)光電器件等領(lǐng)域的研究，已在Nature, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Acc. Chem. Res., Nano Lett.等國(guó)際期刊發(fā)表論文60多篇。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市教委、上海市科委等科研項(xiàng)目多項(xiàng)。
