斯坦福大学JACS：聚合物涂层对电沉积锂金属的影响

【引言】

锂电沉积技术是下一代高能量密度储能装置的关键。然而，锂的活性导致锂电池的循环寿命短和枝晶生长造成严重的安全问题。最近，许多方法用来稳定锂金属-电解质界面，软聚合物涂层实现了高倍率和高容量锂电池，但是设计和改善涂层的机制还不清楚。本文研究了锂金属负极上，几种聚合物涂层的化学结构和机械性能。

【成果简介】

近日，美国斯坦福大学的崔屹和鲍哲南（共同通讯）作者等人，在锂沉积的早期阶段，确定了聚合物涂层的化学性质对锂颗粒的形态的影响。研究发现，聚合物介电常数和表面能对锂沉积物尺寸具有显著作用。其中，低表面能聚合物能够导致小表面积的大沉积物形成。原因是涂层与锂表面之间的相互作用减少和界面能的增加。另外，聚合物的高介电常数增加了交换电流，固定电流密度下，过电势的降低能够产生更大的锂沉积物。同时，每种聚合物都有特定的优化厚度，聚合物功能对电池库仑效率有显著影响。因此，这项工作为锂电沉积工艺提供了新思路，为稳定的锂负极聚合物涂层设计提供了方向。相关成果以“Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

【图文导读】

图 1 聚合物涂层的化学结构及其表面Li生长条件图

（a）聚合物涂层的化学结构；

（b）聚合物涂层下，初始阶段Li生长的条件图。

图 2 电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像及其粒度直方图

（a-d）在铜上，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像，及其SHP涂层的粒度直方图；

（e-g）在铜上，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像，及其PVDF涂层的粒度直方图。

图 3 SHP和SHE共价交联结构及其涂层SEM图像

（a）SHP和SHE共价交联的动态交联化学结构；

（b，c）涂有超分子适应性涂层的SEM图像；

（d，e）涂有共价交联的自愈合弹性体的SEM图像。

图 4 在铜上各种涂层，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像

（a）铜上无聚合物涂层，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像；

（b）铜上PEO涂层，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像；

（c）铜上PVDF涂层，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像；

（d）铜上SHP涂层，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像；

（e）铜上PU涂层，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像；

（f）铜上PVDF-HFP涂层，电沉积0.1 mAh/cm²锂的SEM图像。

图 5 各种聚合物涂层的性质与沉积锂的关系

（a）各种聚合物涂层的交换电流密度与介电常数的关系图；

（b）在各种聚合物涂层下，沉积Li的平均直径与表面能的关系图。

图 6 聚合物涂层影响Li沉积金属的条件示意图

图 7 各种聚合物涂层的库仑效率图

【小结】

在聚合物涂层和Li沉积和生长的初始阶段，发现聚合物涂层的化学性质对Li电沉积有显著影响。聚合物涂层的化学性能影响Li沉积的形貌，涂层机械性能（包括模量和流动性）和均匀性对于整体沉积质量仍然非常重要。另外，各涂层的介电常数和Li⁺离子的溶剂环境决定了含有聚合物涂层的交换电流；聚合物涂层的Li-聚合物界面的表面能、交换电流对成核和介电常数对Li颗粒的尺寸起决定作用；涂层厚度和反应性对涂层性能的影响。未来，新涂层应具有高介电常数、低表面能和低反应性；涂层可溶于非极性溶剂中或低于锂熔点下加工。这允许直接涂覆在Li金属表面上，有助于制备无负极的锂电池。本文的研究为系统开发软有机涂层的提供了起点，有助于以高速率和长时间均匀和可逆地锂沉积。

文献链接：Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal（JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b06047）。

本文由材料人新能源编辑部张金洋编译整理。

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