▲通訊作者：盧云峰 (UCLA), 劉肖燕(上海師大), 肖勝雄 (上海師大)
通訊單位：上海師范大學(xué)&UCLA
DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106214
金屬鋰因其具有極高的理論容量(3860 mAh·g-1)、最低的電極電位(-3.04 V vs.標準氫電極)和低的密度(0.534 g·cm-3)，被認為是最具潛力的電池負極材料。然而鋰金屬電池的壽命卻受限于鋰金屬負極的穩(wěn)定性問題嚴重阻礙了鋰金屬負極的發(fā)展，所以如何改變鋰金屬在電化學(xué)沉積過程中的晶體生長行為，促進其均勻致密沉積被認為是優(yōu)化鋰金屬電池性能的關(guān)鍵。其中，通過在電極表面構(gòu)建人造保護膜是一種可以有效地調(diào)控鋰離子沉積行為，且抑制鋰枝晶生長的簡單而高效的策略。
近日，上海師范大學(xué)肖勝雄教授和劉肖燕講師，以及UCLA盧云峰教授課題組在《Nano energy》上發(fā)表了題為“Negatively Charged Polymeric Interphase for Regulated Uniform Lithium-ion Transport in Stable Lithium Metal Batteries”的研究論文，通過原位自聚反應(yīng)合成制備了一種新型的聚合物poly-2,3,7,8-tetrakis((trimethylsilyl)ethynyl)pyrazino[2,3-g]quinoxaline-5,10-dione (PPQ)作為鋰金屬保護膜。
▲圖一 PPQ人工保護膜在鋰金屬表面的合成及其抑制鋰枝晶生長效果示意圖。
要點：在室溫下，采用快速簡易的旋涂方式，通過單體PQ在鋰金屬負極表面上原位自聚反應(yīng)，形成一層薄且致密的PPQ聚合物保護膜。該人工保護膜的優(yōu)點包括：1）具有負電性框架結(jié)構(gòu)，可排斥電解液中的陰離子；2）含有豐富的官能團，比如炔鍵、N、O雜原子等，可有效地提高鋰離子的遷移速度；3）即使浸潤在電解液中仍具有較高機械強度，可以有效地抑制鋰枝晶的生長。要點：恒壓極化測試表明，使用PPQ電解質(zhì)界面膜，鋰離子遷移數(shù)（tLi+）可高達0.74，電池的庫倫效率也得到了提升。對稱電池循環(huán)性能測試表明，有PPQ涂覆的鋰金屬負極在循環(huán)過程中較普通鋰負極有著更小的過電勢和界面阻抗。要點：在鋰沉積/剝離循環(huán)100圈后，用AFM表征電極的界面形貌和ZETA電位分布狀況，發(fā)現(xiàn)對照組由于鋰離子在負極表面的不均勻沉積，體積膨脹嚴重，且電位分布不均勻，而實驗組表面平整，且電位分布均勻。此外，從SEM圖可以更直觀地觀測到實驗組鋰金屬表面依然保持平整致密，而對照組表面松散且產(chǎn)生了明顯的枝晶。▲圖四 匹配商用三元鎳鈷錳酸鋰(NCM)正極及鋰負極的全電池長循環(huán)與倍率性能測試。
要點：匹配商用NCM（~3 mAh cm-2）電極進行全電池測試，實驗組全電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性都得到了顯著的提升。https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106214盧云峰 (Yunfeng Lu)，加州大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)與生物分子工程系教授。博士就讀于新墨西哥大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，師從C. Jeffrey Brinker。在2005 年同時獲得總統(tǒng)科學(xué)家和工程師早期職業(yè)獎(Presidential Early Career Awards for Scientists and Engineers )；美國能源部早期職業(yè)科學(xué)家和工程師獎 (Early Career Scientist and Engineer Awards, Department of Energy)；美國化學(xué)會聯(lián)合利華獎 (Unilever Award, American Chemical Society, Division of Colloid and Surface Chemistry)。研究方向：能源存儲及轉(zhuǎn)化; 藥物遞送及納米醫(yī)學(xué)。
劉肖燕，上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院講師。2017年博士畢業(yè)于天津大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，師從單忠強教授，2014年-2016年在美國加州大學(xué)洛杉磯分校盧云峰教授研究組聯(lián)合培養(yǎng)，后加入上海師范大學(xué)從事博士后研究。主要從事電化學(xué)儲能材料及器件的研究，包括鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池等，已在Nano Energy，Nano Lett.，ACS Energy Lett., J. Mater. Chem. A等國際期刊發(fā)表論文20余篇，主持和參與多項國家自然科學(xué)基金、上市科委科研項目等。
肖勝雄，上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授，上海市特聘教授（東方學(xué)者）。1999年本科畢業(yè)于武漢大學(xué)，2002年碩士研究生畢業(yè)于中國科學(xué)院化學(xué)研究所，導(dǎo)師李玉良院士，2007年博士畢業(yè)于美國哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系，師從Colin Nuckolls教授，后加入美國斯克利普斯（The Scripps Research Institute）研究所從事博士后研究，導(dǎo)師Julius Rebek, Jr. 教授。肖教授主要從事有機光電材料、納米碳材料的設(shè)計與合成，以及有機光電器件等領(lǐng)域的研究，已在Nature, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Acc. Chem. Res., Nano Lett.等國際期刊發(fā)表論文60多篇。主持國家自然科學(xué)基金、上海市教委、上海市科委等科研項目多項。
