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青島能源所提出鋰金屬負極健康評估及優化新方案
2019-04-29 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:青島儲能院
    
  隨著經濟全球化以及科技的快速發展,人類對能源的需求日益增加,尤其是近年來電動汽車和移動電子設備的蓬勃發展,高能量密度儲能材料成為科學研究的焦點。盡管傳統的以石墨為負極材料的插層式鋰離子電池在電子設備產品市場中占據重要地位,然而它的能量密度已經接近其上限,逐漸無法滿足消費者的使用需求。與插層式的鋰離子電池相比,以金屬鋰直接作為負極使用的鋰金屬電池(如Li-S,Li-O2等電池體系)在能量密度方面表現出得天獨厚的優勢,已經成為近期的研究熱點。然而,金屬鋰陽極在使用過程中表現出許多亟待解決的實際問題。首先,它具有極高的電化學還原性能,在充放電過程中極易與電解液反應,大量消耗活性鋰和電解液。其次,不可控的枝晶生長和電極體積變化以及逐漸積累的副反應產物和“死鋰”始終是金屬鋰陽極面臨的嚴峻問題。依托中科院青島能源所建設的青島儲能產業技術研究院(以下簡稱“青島儲能院”)研究人員深入分析了鋰金屬的特性,考慮到實際應用中的客觀情況,首先從原位實時形成角度來構筑人造界面(Chem. Mater. 2017, 29, 4682-4689),實現負極穩定的鋰沉積和脫出;此外,工作人員對鋰金屬電池用電解液進行優化,分別設計了含有添加劑的雙鹽電解液(Small, 2019, 1900269),改性聚碳酸亞乙烯酯基高電壓聚合物電解質(J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 5295-5304)以及剛柔并濟的高鋰離子遷移系數的復合電解質(Small, 2018, 14, 1802244),對金屬鋰陽極的界面進行有效的改性調控,對開發高能的鋰金屬二次電池的具有較好的指導意義。其中,實驗所用添加劑為青島儲能院自主開發的新型大陰離子結構的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰(LiTFPFB)。

  圖1(a)DMA與鋰金屬表面成分反應示意圖;(b)TEGDME/DME(1:1)中5 mg mL-1的DMA被金屬鋰處理前后(藍線為處理前,紅線為處理后)的發射光譜曲線;(c)DMA探針法觀察循環后鋰金屬表面活性鋰分布的過程

  隨著鋰金屬陽極保護工作的不斷深入,研究人員對鋰金屬電池中的鋰枝晶和“死鋰”導致的失效機理越發關注,但是由于兩者相似的形貌,如何觀測和區分兩者是一個非常有挑戰的課題,而這個問題對于了解電池失效機理和預測鋰金屬電池的循環壽命極其重要。為描述鋰金屬負極表面活性鋰物種分布,并區分鋰枝晶和“死鋰”,青島儲能院的研究人員受分析化學中熒光探針方法的啟發,設計了一種 9,10-二甲基(DMA)熒光探針,通過傳統可見光學手段完成了這項任務,該技術得到了國際同行的肯定,相關成果撰寫了題目為“Fluorescence Probing of Active Lithium Distribution for Lithium Metal Anode”的科研論文(Angewandte Chemie International Edition,2019,DOI:10.1002/anie.201900105)。

  在電池進行充放電循環后,金屬鋰負極表面可能會產生副產物積累(大量副產物包覆會使活性鋰失活,即產生“死鋰”)。因此研究人員將熒光小分子DMA均勻涂覆在循環后的鋰金屬表面。由于DMA可以與活性鋰發生熒光猝滅的反應,而在副產物表面保持穩定,因此可以表征鋰離子電池陽極表面活性鋰及其副產物在各種電解質中的分布情況,為鋰離子電池電解質的選擇提供了重要的參考依據;在鋰沉積溶解過程中,副產物的積累被可視化和半定量地識別出來,可以把電池的性能衰減與副產物的量聯系起來,實現對電池性能失效的防控預警;在循環后的鋰負極表面可以清楚地識別出鋰枝晶和“死鋰”的位置, 能夠對失效電池進行原因分析。這項技術為鋰金屬電池的失效機理分析提供了一個思路和方向。

  相關系列研究獲得了國家自然科學基金杰出青年科學基金,新能源汽車固態電池項目,中科院深海先導專項,山東省重點研發計劃基金,中科院青年促進會基金等項目支持。(文/圖 胡正林 董杉木)

  

  

  

 
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