劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

基于PDMS的高效穩(wěn)定的金屬鋰負(fù)極保護(hù)層

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

在過去的二十多年里，鋰離子電池由于其較高的能量密度等優(yōu)點逐漸成為能源存儲市場中的主體之一，如今廣泛用于電子便攜設(shè)備(如手機、筆記本等)中。但隨著大家對于電子設(shè)備的要求提升以及電動汽車的快速發(fā)展，研究并開發(fā)更高性能的鋰電池材料顯得尤為關(guān)鍵。就負(fù)極而言，金屬鋰擁有相當(dāng)高的理論容量(3860 mAh·g－1)，這相當(dāng)于是現(xiàn)在商業(yè)化的鋰離子電池石墨負(fù)極的十倍，同時具有很低的密度(0.59 g·cm－3)和最低的電化學(xué)反應(yīng)電位(相對標(biāo)準(zhǔn)氫電位－3.040 V)，這些良好的特性使得金屬鋰負(fù)極一直是研究的熱點同時也被認(rèn)為是極具前景的鋰電池負(fù)極材料。然而，由于金屬鋰負(fù)極在電池循環(huán)過程中會逐漸生長出樹枝狀的鋰枝晶，增大了戳破隔膜的幾率從而引發(fā)短路進(jìn)而導(dǎo)致起火等安全隱患；此外金屬鋰負(fù)極在循環(huán)中體積的無規(guī)則的巨大變化會降低電池效率，縮短循環(huán)壽命等這些問題成為了金屬鋰電池商業(yè)化道路上的巨大屏障1。

為了緩解這些問題，很多研究組提出了各種納米結(jié)構(gòu)的保護(hù)層來提高金屬鋰的循環(huán)性能，經(jīng)實驗證明其中一些保護(hù)層確實有效地抑制了枝晶鋰的生長且提高了其電化學(xué)性能，但是這些納米結(jié)構(gòu)的復(fù)雜合成工藝使得控制難度大，規(guī)?；a(chǎn)成本過高2－4；一些保護(hù)層所使用的材料還具有較高化學(xué)活性，難以與不斷發(fā)展的新型電解液匹配使用4。

基于此，南京大學(xué)朱嘉教授課題組首次提出了以常見的聚二甲基硅氧烷(PDMS)為原料，通過簡便的旋涂和酸處理工藝制備多孔的PDMS薄膜用于保護(hù)金屬鋰負(fù)極。因為PDMS本身并不是一種鋰離子導(dǎo)體，所以通過酸處理得到的納米孔洞給鋰離子提供了通道；同時PDMS導(dǎo)電性很差，所以鋰并不會沉積在其表面，而是沉積在PDMS下面，這樣PDMS就可以很好地充當(dāng)保護(hù)層作用，抑制鋰枝晶的生長；此外由于PDMS的彈性模量很高，使得其在鋰循環(huán)過程中不容易被破壞，提高了循環(huán)壽命；最后PDMS具有極好的化學(xué)惰性，與各種電解液都不發(fā)生副反應(yīng)，使得其可以與多種電解液兼容使用。電化學(xué)循環(huán)的測試結(jié)果表明，PDMS保護(hù)后的電極在普通的鋰離子電池電解液中，經(jīng)過200次的循環(huán)庫侖效率一直穩(wěn)定在95%左右，相對于此前報道的同種條件下的測試結(jié)果有～10%的效率提升；在新型的電解液中，效率可以穩(wěn)定高至98.5%。

該工作不僅提出了一種具有成本優(yōu)勢和提高鋰負(fù)極性能的新方案，而且為金屬鋰負(fù)極的規(guī)?；a(chǎn)提供了新思路。此外，這種方法可以與不斷發(fā)展的新型電解液匹配使用，為未來更高性能的鋰電池體系發(fā)展提供了更多可能。該研究成果發(fā)表在最近的Advanced Materials雜志上5。

(1) Zhamu,A.;Chen,G.;Liu,C.;Neff,D.;Fang,Q.;Yu,Z.;Xiong, W.;Wang,Y.;Wang,X.;Jang,B.Z.Energy Environ.Sci.2012,5, 5701.doi:10.1039/c2ee02911a

(2) Wu,M.;Wen,Z.;Liu,Y.;Wang,X.;Huang,L.J.Power Sources 2011,196,8091.doi:10.1016/j.jpowsour.2011.05.035

(3) Zheng,G.;Lee,S.W.;Liang,Z.;Lee,H.W.;Yan,K.;Yao,H.; Wang,H.;Li,W.;Chu,S.;Cui,Y.Nat.Nanotechnol.2014,9, 618.doi:10.1038/NNANO.2014.152

(4) Li,N.W.;Yin,Y.X.;Yang,C.P.;Guo,Y.G.Adv.Mater.2016, 28,1853.doi:10.1002/adma.201504526

(5) Zhu,B.;Jin,Y.;Hu,X.Z.;Zheng,Q.H.;Zhang,S.;Wang,Q.J.; Zhu,J.Adv.Mater.2016,doi:10.1002/adma.201603755

10.3866/PKU.WHXB201610282