头条:中国电子科技大学探讨电极硬碳主体的锂沉积行为
(资料图片)
在下一代高能量密度电池中,锂金属被视为理想的负极。然而,为了使其充分发挥潜力,还要克服一定的挑战。据外媒报道,研究团队探讨锂沉积行为,并围绕硬碳主体开发了一种策略,可以成功解决目前在锂金属负极开发过程中面临的一些问题。
(图片来源:SpringerLink)
中国电子科技大学的王丽平教授表示:“通过这一策略来合理设计主体和电解质,从而解决体积变化和枝晶问题,为制造锂金属负极提供了更宽阔的视角。”
锂金属具有超高理论容量、极低的电极电位和低密度,被视为富有前景的下一代电池负极。然而,锂金属受到不可控锂枝晶生长、副反应和相对无限的体积变化的影响。这些问题会降低电池的效率,使电池的循环寿命变短,甚至可能导致短路等安全风险。
长期以来,研究人员一直在探讨不同的方法,以缓解枝晶生长和体积膨胀问题,比如构建三维复合锂负极、优化电解质构成、应用人工界面膜和固体电解质等。在解决体积膨胀和枝晶生长问题方面,三维主体是最有前景的方法。在锂金属负极中,碳基材料是理想的主体候选材料,因其具有轻量化、导电率高和孔隙结构多重优势,并且电化学/化学性能稳定。但王教授表示:“即使碳基主体具有诸多优势,也不能完全解决体积膨胀和枝晶生长等问题。”
最近以来,研究人员探讨使用亲锂物质(如锌、氧化锌、铝、锡、硅、银和镁)对碳材料进行改性,并开发合适的电解质作为提高三维主体材料性能的有效方法。王教授表示:“然而,锂沉积行为及其内在机制并未得到系统的分析。”
为了更好地了解结构-行为关系,发现锂沉积行为及其内在机制,为开发高性能碳基主体电极指明方向,该团队进行了深入的研究。研究人员使用光学显微镜和扫描电子显微镜进行系统性研究,探讨碳氢化合物电极在不同表面改性和电解质作用下的锂沉积行为。研究人员发现,锂并不是自发地沉积到碳孔中。这在很大程度上取决于碳表面、电流密度、面积容量和电解质。
因此,该团队开发了一种含银的亲锂改性商用硬碳作为稳定主体。结果发现,引入亲锂位点可以引导枝晶适应生长,抑制体积膨胀。另外,研究人员发现,局部高浓度电解质被证明与锂更相容,可以优化锂沉积形态,阻止其形成枝晶。因此,在循环过程中,位于局部高浓度电解质中的银/碳氢化合物电极实现了均匀且无枝晶的锂沉积形态,并表现出良好的长期循环效率(超过316次循环)。
该团队总结道,尽管多孔碳具有容纳锂的理论空间,但是锂离子不会沉积到预期的孔隙中,因为锂原子更倾向于以爆炸性的生长模式积聚,且其强度足以撑住碳颗粒。研究人员还发现,对碳进行表面改性,可以减少成核势垒,从而部分缓解锂沉积。然而,由于这是锂沉积到亲锂碳上之后的锂-锂沉积行为,因此效率不高。该团队发现,使用局部高浓度电解质,可以更有效地实现无枝晶锂沉积。
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