崔屹PNAS: 一种将纳米锂金属嵌入离子型导电固体基质中制备出的三维稳定的锂金属负极

【引言】

近些年来，随着锂电池应用的规模不断扩大，人们对锂电池负极材料的研究也不断的深入。目前可用于锂电池负极的材料主要有硅、锡和金属锂。其中金属锂具有最低的电化学势能和最高的理论比容量，引起了科研界和工业界极大的关注。然而，锂金属负极在使用过程中会出现枝晶的过度生长和电池形状尺寸变化的情况，这会引发电池使用的安全问题，同时，在使用过程中还会出现一些副反应以及锂本身有限的能量输出都会限制锂电池的实际应用。如何开发出一种安全、稳定、高效的负极材料，是提高锂电池实用性的技术方向之一。

【成果简介】

近日，来自斯坦福大学材料科学与工程系、斯坦福材料与能源科学研究所的崔屹教授在国际期刊PNAS上发表一篇题为“Three-dimensional stable lithium metal anode with nanoscale lithium islands embedded in ionically conductive solid matrix”的研究论文。研究人员用一种简易的化学合成法将纳米级锂金属嵌入导电固体基质中制备出三维稳定的传导锂离子的纳米复合电极（LCNE），并用实验证明了这种结构的电极很小的体积变化和大大减少的副反应，这种方法也成功解决了枝晶增大的问题，为设计锂金属负极开创了一种新的设计思路。

【图文导读】

图1 电极的制备过程和锂离子的嵌入/脱嵌行为

 A）开放结构的锂金属结构；

B）LCNE电极与SEI膜的结构示意图；

C-E）初始、锂离子脱嵌和锂离子嵌入到 LCNE的数码照片图像(容量为8 mAh/cm²)；

F-G）相应的初始、锂离子脱嵌和锂离子嵌入到 LCNE的的SEM图

I-J）分别表示初始、脱嵌、嵌入的LCNEs横截面的SEM图。

以上实验的电流密度固定在1mA/cm²。

图2 锂箔与LCNEs在循环测试后锂离子沉积行为（SEM图）

 A）锂箔在20次循环测试后锂离子沉积的低倍率的SEM图；

B）锂箔在20次循环测试后锂离子沉积的SEM图；

C）LCNEs在20次循环测试后锂离子沉积的低倍率的SEM图；

D）LCNEs在20次循环测试后锂离子沉积的SEM图。

以上实验的电流密度固定在1mA/cm²，面积容量固定在1mAh/cm²。

 图3 LCNE上锂脱嵌/嵌入的电化学特性和机理图

A） LCNE组成的对称电池在前12h的Nyquist图；

B）Li箔组成的对称电池在前12h的Nyquist图；

C）在第一次电流周期中典型的脱嵌/嵌入电压特性图；

D）初始脱嵌/嵌入能垒示意图；

E）对称电池在第1、2、10和100次循环的电压特性图。

以上实验的电流密度固定在1mA/cm²，面积容量固定在1mAh/cm²。

图4 对称电池的电化学性能测试

 A）不同速率（0.5-5mA/cm²）下Li箔与LINE对称电池电池的电压曲线；

B）在1-10mA/cm²电流密度下的循环稳定性。

图5 不同锂电极的Li–S电池容量的测试

A）LINE作为负极在不同电流密度下的电压与比容量之间的关系；

B）Li箔作为负极在不同电流密度下的电压与实际容量之间的关系；

C）不同倍率情况下的容量保持率。

【总结】

这项工作中，研究人员通过将锂嵌入导电固体基质（Li_xSi–Li₂O）制备出稳定三维锂金属负极，实验表明这种复合电极在提高锂离子传导性的同时又能有效的保护嵌在基质锂金属不直接和电解质接触；同时，实验还证明这种电极材料具有低极性、稳定的循环特性和高的能量输出。这一工作为锂金属负极提供了一项设计原则和材料合成策略。

文献链接：Three-dimensional stable lithium metal anode with nanoscale lithium islands embedded in ionically conductive solid matrix (PNAS, 2017, DOI:10.1073/pnas.1619489114)。

本文由材料人新能源组 Mr.Yao 供稿，材料牛编辑整理。

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