【能源】直立型结构改善锂金属负极循环稳定性

来源：X一MOL资讯

随着消费型电子设备和电动汽车的迅猛发展，人们对二次电池的能量密度提出了更高的要求。锂金属负极因具有最低的还原电位（-3.0 V vs标准氢电极）和高理论比容量（3860 mAh/g）被认为是电池负极材料中的“圣杯”。

但由于锂枝晶生长以及锂金属与电解液间持续的副反应，锂负极的应用仍存在着循环稳定性差和安全隐患大的问题。近年来，构筑高比表面积的锂负极结构以降低锂沉积过程中的实际电流密度是改善负极沉积均匀性、提高负极稳定性的有效策略。然而，这一策略常常存在着制备过程复杂、惰性组分比重过高、难以控制枝晶生长方向等问题。

近日，中国科学院大连化学物理研究所的高性能储能电池关键材料研究团队利用简单的卷绕法制备出一种具有直立型结构的锂金属负极，表现出优异的循环稳定性。

玻璃纤维膜和锂箔分别裁成约1.5 mm宽的细条，将二者上下叠放，从左向右卷绕制备出直立型结构的锂金属负极。这种直立型结构相比于平面结构暴露出更少的外表面和更多的内表面，有利于实现锂金属内部沉积过程。结合玻璃纤维膜的高亲锂性和吸液率，该负极结构具有四大优势：（1）丰富的内部反应界面和界面处玻璃纤维良好的亲锂性能够促进锂金属在电极结构的内部沉积；（2）玻璃纤维夹层的高孔隙率提供了较大的储锂空间，可以缓解负极体积膨胀，避免枝晶穿透隔膜造成电池短路；（3）玻璃纤维的高吸液率能够保持电极内部持久的Li+供应和传输，防止电池干涸，延长负极循环寿命；（4）进一步对直立型锂表面钝化有望实现锂枝晶生长方向的转变。

图1.（a）直立型锂负极的制备过程；（b）平面型结构和直立型结构锂沉积过程的示意图。

将理论计算、原位观测和实验表征手段相结合，作者详细阐释了直立型结构中的锂沉积过程和离子传输机制，发现该结构内部丰富的反应界面、储锂空间、电解液供应，有助于抑制体积膨胀和枝晶生长造成的电池短路，缓解因固态电解质界面膜（SEI）增厚和电解液干涸造成的电池极化加剧问题，有效提高锂金属负极的稳定性，为解决锂金属负极稳定性的问题提供新思路。在1 mA/cm2电流密度和1 mAh/cm2的沉积容量下，直立型结构的锂金属对称电池可以稳定循环1000 h以上。当电流密度提高至5 mA/cm2时，稳定循环时间仍可达到150 h以上。

图2.（a）循环过程中平面结构和直立结构锂金属负极的SEI形态变化及Li+传输机制示意图；（b）1 mA/cm2电流密度和1 mAh/cm2沉积容量下的锂对称电池循环性能；（c）5 mA/cm2电流密度和1 mAh/cm2沉积容量下的锂对称电池循环性能。

这一成果近期发表在Adv. Funct. Mater.上，文章的第一作者是中科院大连化学物理研究所的博士研究生陈雨晴。