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金属锂负极表面改性
做为直接与电解液接触的部分,SEI膜的结构和成分都对金属锂负极的镀锂特性和循环寿命有着显著的影响,因此对于金属锂负极而言,我们主要关注点也集中在SEI膜的处理上。
1.人造SEI膜
改善金属锂负极界面状况的重要方法是在金属锂负极与电解液接触之前就形成一层保护层,这层保护层需要足够强韧,从而能够很好的抑制锂枝晶的生长,如下图所示。保护层的获得可以通过在将金属锂在化学试剂中处理的方法获得,例如将金属锂负极利用取代硅烷进行处理,取代硅烷与金属锂表面的一些含有HO根的化合物反应,就会生成一层非常稳定和低阻抗的保护层。N2也可以用来和金属锂反应生成Li3N保护层,最近学者们还开发了一款Li3PO4保护层,该保护层具有极佳的Li+电导。
2.纳米界面工程
该方法的核心观念是在SEI膜和金属锂负极之间搭建一层“脚手架”,“脚手架”具有很好的化学稳定性和机械强度,能够允许锂离子通过,在充放电的过程中“脚手架”能够随着SEI膜移动,从而防止SEI膜破裂,抑制锂枝晶的生长。例如在金属锂表面覆盖一层中空碳纳米球,如下图所示,则金属锂负极在充放电会形成柱状结构,而不是锂枝晶。通过该方法处理金属锂负极可以获得很好的库伦效率和循环稳定性。在选择“脚手架”材料时我们需要尽可能选择低电导率材料,以防止金属锂直接在上面沉积。
3.均匀Li+流负极结构设计
Li+在金属锂负极表面不均匀的分布是造成锂枝晶生长的重要原因,为了抑制锂枝晶,我们可以通过增加锂负极与电解液的接触面积,降低电流密度,从而使得Li+分布更加均匀。例如将铜集流体设计称为具有亚微米凸起结构,可以极大的增加金属锂负极的比表面积,如下图h所示,Li+在电极表面分布更加均匀,从而避免了锂枝晶的生长。除此之外,高比表面积的石墨材料,例如石墨烯和碳纤维也可以用现金集流体,此外高浸润性的涂层隔膜也有助减少Li+分布的不均匀性。
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