近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部李先鋒研究員、張洪章研究員帶領(lǐng)的研究團隊，在具有長循環(huán)壽命的鋰金屬電池研究方面取得新進展。
鋰金屬具有理論容量密度高（3860 mAh/g）、電化學(xué)電勢低（-3.040 V vs. SHE）等特點，是理想的高能量密度電池負極。然而鋰金屬活性高，容易與傳統(tǒng)電解質(zhì)發(fā)生不可控的副反應(yīng)，形成固態(tài)電解質(zhì)界面層（SEI）的化學(xué)和機械穩(wěn)定性較差：一方面，循環(huán)過程中SEI的反復(fù)破裂會加速死鋰的形成和不可逆的活性鋰/電解質(zhì)損失；另一方面，溶劑誘導(dǎo)形成的SEI機械性能較差，不足以抑制鋰枝晶的生長，導(dǎo)致枝晶刺穿隔膜造成電池短路。
大連化物所發(fā)現(xiàn)內(nèi)共生氮化鋰/纖維素層可延長鋰金屬負極循環(huán)壽命
本工作中，該團隊在電解液中引入一種新型添加劑——硝化纖維素，構(gòu)建內(nèi)共生的氮化鋰/纖維素雙層SEI（ES-DSEI），并用于鋰金屬電池中。ES-DSEI在用于鋰金屬保護中具有獨特的優(yōu)勢：硝化纖維素會優(yōu)先與鋰反應(yīng)，一步實現(xiàn)在鋰表面構(gòu)建聚合物/無機層；外層的柔性聚合物層能夠適應(yīng)鋰金屬在循環(huán)過程中的體積變化，其強粘附性還能抑制內(nèi)層無機物的剝離；內(nèi)層的無機層具有機械強度高的特點，可以抑制枝晶的生長，且晶型的氧化鋰和氮化鋰層也有利于鋰離子傳輸。該團隊利用密度泛函理論模擬計算證明，相較于鋰鹽陰離子和溶劑，硝化纖維素具有更低的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能量。此外，硝化纖維素的硝基基團更易于與金屬鋰反應(yīng)，在近鋰內(nèi)層形成LiNO2等無機物種，而其主鏈則靠Li-O鍵緊密吸附在遠鋰外層。與未添加硝化纖維素的電解液相比，鋰負極在含有硝化纖維素為添加劑的電解液中循環(huán)壽命提高了一倍。該工作為長壽命鋰金屬負極的設(shè)計提供了新思路。
相關(guān)研究以題為“Endogenous Symbiotic Li3N / Cellulose Skin to Extend the Cycle Life of Lithium Anode”發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。該工作的第一作者是大連化物所2017級博士研究生羅洋。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)項目、中科院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。
