【儀表網 研發(fā)快訊】近年來，鋰離子電池在便攜式電子設備中得到廣泛應用。當前，商業(yè)化的鋰離子電池普遍使用石墨作為負極，理論比容量僅為372 mAh g-1，難以滿足電動車與便攜電子設備快速發(fā)展的需求。因此，需要開發(fā)容量更高的材料來代替石墨?，F(xiàn)有的負極材料中，鋰金屬具有最高比容量(~3860 mAh g-1)和最低氧化還原電位等優(yōu)點。采用鋰金屬負極替換石墨負極，將使得現(xiàn)有鋰二次電池的能量密度大幅提升，但鋰金屬電池的發(fā)展受到鋰金屬負極界面不穩(wěn)定性這一難點的制約。
近期，中國科學院金屬研究所師昌緒先進材料創(chuàng)新中心前沿材料研究部研究員白朔、沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部研究員李峰，聯(lián)合季華實驗室研究員譚軍，并得到前沿材料研究部研究員邰凱平在飛秒激光加工方面的協(xié)助，在鋰金屬電化學沉積及界面反應調控方面取得了進展。
科研人員考慮到銅箔具有良好的導電性、較低的成本和成熟的制備工藝，是常用的鋰金屬電池負極集流體。然而，在高電流密度下，銅箔表面鋰金屬沉積/剝離過程的庫倫效率低且不穩(wěn)定。此外，鮮有關于銅箔表面初始鋰核分布狀態(tài)對生長行為影響的研究。采用飛秒激光來改變銅表面形態(tài)和式樣是調控銅表面金屬鋰形核能壘分布以及鋰離子吸附狀態(tài)的有效手段。因此，研究人員提出利用飛秒激光在銅表面加工出有序的親鋰微槽來誘導金屬鋰的有序致密沉積，使得鋰金屬負極在高電流密度下的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性得到顯著提高。
為了進一步調控銅基體表面與電解液界面之間鋰離子輸運動力學和陰離子界面反應效率，該研究提出利用功能微陣列選擇性調控電解液中離子溶劑化結構空間分布。該工作使用具有強負電官能團的納米羥基磷灰石來吸附鋰離子，進而形成了局部高濃度的鋰離子溶劑化區(qū)域，使得陰離子有效進入電雙層并吸附在內亥姆霍茲層與金屬鋰發(fā)生反應，顯著提高了負極界面無機組分的轉化效率，實現(xiàn)了高電流密度下無鋰負極穩(wěn)定長循環(huán)。
相關研究成果發(fā)表在Small(2023, 19, 2206000)和Advanced Materials(DOI：10.1002/adma.202306553)上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和博士后創(chuàng)新人才支持計劃等的支持。
圖1. 飛秒激光親鋰銅微陣列誘導有序致密金屬鋰沉積示意圖
圖2. 納米羥基磷灰石微陣列對負極側陰離子還原反應效率的影響
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