【背景介紹】

全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化加速了綠色能源技術(shù)的發(fā)展，繼而引起了人們對(duì)鋰離子電池（LIB）在內(nèi)的綠色儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛關(guān)注。從上世紀(jì)90年代開始，LIBs的商業(yè)化極大地推動(dòng)了包括筆記本、移動(dòng)電話等便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展和普及。然而近年來，隨著電動(dòng)汽車及其他先進(jìn)便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，目前的鋰離子電池已經(jīng)逐漸不能滿足其需求。在這種背景下，高能量密度電池已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，相關(guān)研究成果受到廣泛的關(guān)注。鋰金屬負(fù)極由于具有較高的理論比容量及最低的負(fù)極電化學(xué)勢(shì)而有望成為高能量密度鋰電池中理想的負(fù)極材料，然而其使用過程中容易形成枝晶，并由此引發(fā)的電池安全性等問題嚴(yán)重阻礙了鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。因此解決鋰金屬負(fù)極在使用過程中存在的枝晶問題，具有重要的科學(xué)意義及實(shí)用價(jià)值。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所王書華博士（第一作者）和郭玉國(guó)研究員（通訊作者）報(bào)道了通過在垂直微孔孔道中調(diào)節(jié)鋰的沉積/溶解來得到穩(wěn)定的鋰金屬負(fù)極，進(jìn)而抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。他們系統(tǒng)分析了多孔銅集流體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電流密度分布的影響以及鋰在不同尺寸的多孔銅集流體內(nèi)的形貌演化。通過COMSOLMultiphysics理論模擬，發(fā)現(xiàn)尖端效應(yīng)導(dǎo)致鋰在微孔道壁內(nèi)的優(yōu)先沉積，相比平板銅，他們?cè)O(shè)計(jì)的集流體具有較大的比表面積和孔體積，有效減少了金屬鋰在集流體表面的沉積，進(jìn)而抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，具有多孔銅集流體的鋰負(fù)極，具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性，200圈內(nèi)平均庫(kù)倫效率約98.5％。此外，基于此種集流體所組裝的LiFePO4/Li全電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能。相關(guān)成果以題為“StableLiMetalAnodesviaRegulatingLithiumPlating/StrippinginVerticallyAlignedMicrochannels”發(fā)表在了AdvancedMaterials上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1多孔銅集流體示意圖及模擬計(jì)算分析

a）設(shè)計(jì)的多孔銅集流體示意圖

b-d）多孔銅集流體上表面的電流密度分布模擬結(jié)果，圖中標(biāo)尺為10μm。

e）鋰優(yōu)先沉積在多孔銅管壁上的示意圖

f，h，j，l）具有不同孔半徑的多孔銅上表面SEM圖

g，i，k，m）具有不同孔半徑的多孔銅的斷面SEM圖

圖2鋰在不同孔半徑的銅集流體上沉積形貌的演變

a-d）半徑分別為5μm，7.5μm，10μm及15μm的多孔銅集流體上沉積鋰的SEM圖

e）在平板銅上沉積鋰的SEM圖

f）Li沉積在不同孔尺寸集流體內(nèi)的過電勢(shì)比較