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人造活性物SEI膜高效抑制金属枝晶生成

2018-04-08 09:50来源:能源学人关键词:锂枝晶空气电池电极材料收藏点赞

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 近些年,锂/钠硫、锂/钠/钾系空体电池因具有高能量密度而被新能源研究者们所熟知。但是,碱金属电极的使用仍面临着一些严峻问题,例如高活性的碱金属与常用电解质之间是天然不稳定的,或者说他们之间常常反应生成粗糙且脆弱的SEI膜。为了抑制这种不利的化学反应以及金属枝晶的形成,提高电池的库伦效率和安全性能,研究者们合成了各种人造SEI膜聚合物,例如无机导电复合物,纳米粒子,薄膜,碳材料等等来隔绝电极与电解液之间的副反应。虽然以上也能取得一些效果,但还是有待改进。


图1.  a)活性层生成过程示意图;b)Sn-锂电极剖面SEM图;c)Sn-锂电极EDX图谱;d)Sn-锂电极表面mapping图;e)Sn-锂电极表面SEM图。

近日,美国康奈尔大学Lynden A.  Archer课题组设计一种人造活性物SEI膜来改善上述问题。作者采用离子交换化学法在碱金属(锂/钠)表面沉积电化学活性物质(Sn,In,Si)层作为SEI膜。这种活性层使得电池表现出非常高的交换电流和稳定的长循环性能。该工作发表在国际顶级能源类期刊《Nature  Energy》上。


图2. Sn–Li/NCA全电池的充放电循环曲线;内图是容量-电压曲线。

所合成的Li/Sn负极在3mA/cm^2的电流密度下,可以稳定表现出3mAh/cm^2的面比容量。与高负载LiNi0.8Co0.15Al0.05O2  (19.9 mg/cm^2;3 mAh/cm^2)  正极配对后(组成Sn–Li/NCA全电池),在0.5C电流密度下循环300圈后,容量保持率还可>80%。Sn和Li分别可通过合金化和沉积的过程储锂,这样的一种二元混合储锂协同机理可以解释锂负极表面稳定的原因。更深一步的,作者还制备了Sn-Na负极,并组装了对称钠电池(Sn-Na/Sn-Na)测试其电化学性能,结果表明这种电池可以稳定稳定循环1700小时,并且表现出极小的充放电电位差,解决了长久以来困扰研究者们的钠枝晶问题。


图3. a)钠电极处理前后的阻抗对比图;b)循环后,原始钠电极和Sn-Na电极表面SEM图;Sn-Na/Sn-Na对称电池分别在0.25  m/cm^2、1h每步和0.5 m/cm^2、0.5h每步充放电条件下的时间-电压曲线;e)原始Na/Na对称电池在0.25  m/cm^2、1h每步充放电条件下的时间-电压曲线;f)Sn-Na电极和原始钠电极在不同循环次数下的平均放电电压曲线。

通过在碱金属表面沉积活性层不仅可以保护金属表面,同时还可促进电极的电荷快速转移。修饰活性Sn层后,金属锂和钠负极仅仅界面电阻都急剧减低,而且与电解液的交换电流变得更高。长时间循环后,电极表现也未发现金属枝晶的形成。尤其对于以前让人头疼的钠枝晶问题,采用这种方法非常有效。这篇文章,作者也是另辟蹊径地提出了采用沉积活性物层,基于二元混合储能协同机理来解决困扰研究者们的金属枝晶的问题。

参考文献:

Zhengyuan Tu, Snehashis Choudhury, Michael J. Zachman, Shuya Wei, Kaihang  Zhang, Lena F. Kourkoutis and Lynden A. Archer, Fast ion transport at  solid–solid interfaces in hybrid battery anodes,Nature Energy, DOI:  10.1038/s41560-018-0096-1

原标题:Nature Energy:人造活性物SEI膜高效抑制金属枝晶生成
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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