鋰金屬電池的商業(yè)化一直受限于安全問(wèn)題和有限的循環(huán)壽命。使用新型不易燃的固態(tài)電解質(zhì)替換傳統易燃的有機電解液可以顯著(zhù)降低鋰金屬電池起火和爆炸的風(fēng)險。但由于固態(tài)電解質(zhì)和電極材料之間有限的固固界面接觸，使得固態(tài)鋰金屬電池的電化學(xué)性能受限，滿(mǎn)足不了實(shí)際應用的需求。
從固態(tài)鋰金屬電池的負極方面考慮，固態(tài)多級結構鋰金屬復合負極的構筑需采用一種理想的框架材料。該框架材料應具有以下特點(diǎn)：
1）來(lái)源豐富且成本低廉；
2）對鋰金屬有很強的親和性；
3）豐富的孔道結構以容納鋰金屬。
因此，在電極內部采用多級結構設計增強界面接觸是提升固態(tài)鋰金屬電池性能的有效途徑。
最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌課題組和俞書(shū)宏教授領(lǐng)導的研究團隊受硅藻土具有的多級結構特征的啟發(fā)，以天然硅藻土為模板成功制備了結構穩固、無(wú)枝晶生長(cháng)的多級結構鋰金屬固態(tài)復合負極，基于該鋰金屬復合負極構筑的固態(tài)鋰金屬電池表現出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
研究人員首先通過(guò)鎂熱還原法將天然的硅藻土轉化為具有多級孔道結構的硅框架。隨后，將該多級結構硅框架與熔融態(tài)的鋰金屬混合并充分攪拌反應制得鋰-硅復合粉體。然后，采用聚環(huán)氧乙烷基聚合物固態(tài)電解質(zhì)（PEO-SPE）對鋰-硅粉體進(jìn)行表面修飾。最后，通過(guò)冷壓工藝將上述粉體在模具中壓制成具有多級結構的復合鋰金屬負極（PEO-DLSL）（圖1a）。
圖1：（a）硅藻土模板衍生的多級結構固態(tài)鋰金屬復合負極的制備過(guò)程示意圖。（b）多級結構固態(tài)鋰金屬復合負極的鋰沉積/脫出示意圖。（c）平板鋰箔負極的的鋰沉積/脫出示意圖。
在PEO-DLSL中，鋰金屬是嵌在PEO-SPE修飾的Li4.4Si框架的孔道結構之中，從而提升了其與電解質(zhì)的接觸面積，有利于得到更均勻的鋰離子流，保持了電極結構的完整性。從而使得在較高電流密度下（>0.5 mA cm-2），多級結構鋰金屬復合負極能夠實(shí)現鋰金屬的均勻沉積和脫出，有效抑制了鋰枝晶的生長(cháng)（圖1b）。而對于傳統的平板鋰箔而言，在同樣的條件下，鋰枝晶很容易生長(cháng)并引起電池短路（圖1c）。
以PEO-SPE作為固態(tài)電解質(zhì)，PEO-DLSL對稱(chēng)電池在鋰脫出/沉積測試中可穩定性循環(huán)超過(guò)1000小時(shí)不短路，同時(shí)極化電壓可以保持在100毫伏以下。而傳統的鋰箔負極表現出很高的極化電壓（200毫伏以上）并且在循環(huán)50圈后就發(fā)生了短路（圖2a）。研究人員進(jìn)一步考察了PEO-DLSL在全固態(tài)鋰金屬電池（PEO-SPE為固態(tài)電解質(zhì)，磷酸鐵鋰為正極）中的性能，如圖2b所示，基于PEO-DLSL的固態(tài)鋰金屬電池表現出非常好的循環(huán)穩定性（0.5C倍率下可循環(huán)500圈，容量衰減速率為0.04%/每圈），而采用平板鋰箔的固態(tài)鋰金屬電池在循環(huán)75圈后即發(fā)生了短路（圖2a）。
圖2：（a）多級結構鋰金屬復合負極與平板鋰箔的對稱(chēng)電池循環(huán)性能對比。（b）多級結構鋰金屬復合負極與平板鋰箔的全固態(tài)鋰金屬電池循環(huán)性能對比。
綜上，基于硅藻土多級孔道結構模板，研究人員成功構筑了多級結構鋰金屬復合負極，在全固態(tài)鋰金屬電池應用中表現了突出的電化學(xué)性能。這項研究是天然多級結構模板在制備高性能固態(tài)鋰金屬復合負極方面新的嘗試，將為高比能/高安全儲能器件的研制提供新的結構設計思路。
時(shí)間：7月10-12日，地點(diǎn)：北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
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