清華化工系張強團隊合作建立保護金屬鋰負極的可移植界面

清華新聞網2月17日電 金屬鋰以極高的容量（3860 mA h g-1）和最負的電勢（-3.040 V vs. 標準氫電極）而成為儲能界的“圣杯”，是下一代高能電池最有前景的負極材料之一。以金屬鋰為負極的鋰硫電池的理論能量密度高達2600 Wh kg-1，有著巨大的產業(yè)前景。但負極枝晶生長是限制鋰硫電池、鋰空氣電池、鋰金屬固態(tài)電池的共性問題。金屬鋰異常活潑，容易與電解液反應，引發(fā)鋰離子和電子在界面處的不均勻分布，帶來樹枝狀鋰枝晶的沉積。鋰枝晶一方面可能刺穿隔膜，到達電池正極造成電池短路、熱失控、著火爆炸等一系列安全隱患，另一方面也會加劇金屬鋰和電解液的反應，導致死鋰的出現(xiàn)，降低電池利用率和使用壽命。

在含硝酸鋰和多硫化鋰的醚類電解液作為誘導劑，通過電沉積在金屬鋰表面沉積固態(tài)電解質保護膜。所得含可移植界面膜的金屬鋰可以用于醚類或者酯類電解質，構筑鋰硫電池或鋰金屬二次電池。

為了構建穩(wěn)定的固液界面，抑制枝晶生長，清華大學張強研究團隊及其河南師范大學合作者采用含硝酸鋰和多硫化鋰的醚類電解液作為誘導劑，通過電沉積的方法預先在金屬鋰表面沉積一層可移植的固態(tài)電解質保護膜。含有保護膜層的金屬鋰可以移植到不含任何負極保護劑、添加劑的電解液中穩(wěn)定利用，抑制鋰枝晶形成和生長效果顯著，提高了負極利用率。如果電池采用硫或者三元氧化物正極材料，分別在醚類或碳酸酯類電解液中與上述帶有固態(tài)電解質界面膜的金屬鋰配合使用，固態(tài)電解質保護膜可以移植到新體系電池中抑制金屬鋰枝晶生長。這一發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)高能量密度、高穩(wěn)定性鋰硫電池、鋰金屬電池提供了廣闊的前景。

含可移植固態(tài)電解質界面膜（SEI）的金屬鋰和氧化物、硫等正極在醚類或者酯類電解質中構筑多種高能量密度鋰金屬電池。

另外，該項工作提供一種保護金屬鋰負極的新方法。通過構筑可移植固態(tài)電解質界面膜，使得本不兼容的體系可以協(xié)同作用于金屬鋰，有效保護金屬鋰表面，實現(xiàn)金屬鋰電池的穩(wěn)定循環(huán)。這方法不僅適用于金屬鋰體系，對于鋰電池和其他高能鈉電池、鎂電池和鋅電池同樣具有重要借鑒意義。

相關工作于以《金屬鋰電池中的可移植固態(tài)電解質界面膜》(Implantable Solid Electrolyte Interphase in Lithium Metal Batteries)為題發(fā)表在細胞出版社的《化學》（Chem）期刊上。作為《細胞》（Cell）的姊妹刊，《化學》（Chem）是一本致力于展示基礎化學及其子學科最新進展、以及應對未來全球變化的頂級學術期刊。

該工作的通訊作者為清華大學化工系博士生導師張強，共同第一作者為清華大學博士生程新兵和河南師范大學碩士生閆崇。清華大學化工系博士生陳翔、機械系本科生管超、化工系副研究員黃佳琦（現(xiàn)北京理工大學教授）、化工系博士生彭翃杰、化工系博士生張睿以及河南師范大學化學系楊書廷教授是本文的共同作者。該項工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、清華大學自主科研項目、清華大學計算平臺的支持。

論文鏈接：

http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30027-X

供稿：化工系 編輯：李華山