中国分析测试协会
China Association for Instrumental Analysis

内共生氮化锂/纤维素层延长锂金属负极循环寿命

文章来源:中国科学报
2021-04-06 22:50



  近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋、张洪章带领的研究团队,在具有长循环寿命的锂金属电池研究方面取得新进展。相关研究成果发表于《德国应用化学》。

  锂金属具有理论容量密度高、电化学电势低等特点,是理想的高能量密度电池负极。然而锂金属活性高,容易与传统电解质发生不可控的副反应,形成固态电解质界面层(SEI)的化学和机械稳定性较差,一方面,循环过程中SEI的反复破裂会加速死锂的形成和不可逆的活性锂/电解质损失;另一方面,溶剂诱导形成的SEI机械性能较差,不足以抑制锂枝晶的生长,导致枝晶刺穿隔膜造成电池短路。

  该研究中,团队在电解液中引入一种新型添加剂——硝化纤维素,构建内共生的氮化锂/纤维素双层SEI(ES—DSEI),并用于锂金属电池中。ES—DSEI在用于锂金属保护中具有独特优势,硝化纤维素会优先与锂反应,一步实现在锂表面构建聚合物/无机层;外层的柔性聚合物层能够适应锂金属在循环过程中的体积变化,其强粘附性还能抑制内层无机物的剥离;内层的无机层具有机械强度高的特点,可以抑制枝晶的生长,且晶型的氧化锂和氮化锂层也有利于锂离子传输。团队利用密度泛函理论模拟计算证明,相较于锂盐阴离子和溶剂,硝化纤维素具有更低的最低未占据分子轨道能量。此外,硝化纤维素的硝基基团更易于与金属锂反应,在近锂内层形成LiNO2等无机物种,而其主链则靠Li-O键紧密吸附在远锂外层。与未添加硝化纤维素的电解液相比,锂负极在含有硝化纤维素为添加剂的电解液中循环寿命提高了1倍。该工作为长寿命锂金属负极的设计提供了新思路。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1002/anie.202017281