調(diào)整充電機(jī)充電鋰電池的垂直微孔孔道中的沉積/溶解可以提高鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定性？
2017-9-20 9:08:38??????點(diǎn)擊：
【布景介紹】
全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化加快了綠色能源技能的開(kāi)展，繼而引起了人們對(duì)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池（LIB）在內(nèi)的綠色儲(chǔ)能技能的廣泛重視。從上世紀(jì)90年代開(kāi)端，LIBs的商業(yè)化極大地推動(dòng)了包含筆記本、移動(dòng)電話等便攜式電子產(chǎn)品的開(kāi)展和遍及。然而近年來(lái)，跟著電動(dòng)汽車(chē)及其他先進(jìn)便攜式電子產(chǎn)品的快速開(kāi)展，現(xiàn)在的充電機(jī)充電鋰離子蓄電池現(xiàn)已逐步不能滿意其需求。在這種布景下，充電機(jī)充電高能量密度蓄電池已成為當(dāng)時(shí)的研討熱門(mén)范疇，相關(guān)研討效果遭到廣泛的重視。鋰金屬負(fù)極因?yàn)榫哂休^高的理論比容量及最低的負(fù)極電化學(xué)勢(shì)而有望成為充電機(jī)充電高能量密度鋰電池中抱負(fù)的負(fù)極資料，然而其運(yùn)用過(guò)程中容易形成枝晶，并由此引發(fā)的充電機(jī)充電蓄電池安全性等問(wèn)題嚴(yán)峻阻止了鋰負(fù)極的實(shí)踐應(yīng)用。因而處理鋰金屬負(fù)極在運(yùn)用過(guò)程中存在的枝晶問(wèn)題，具有重要的科學(xué)含義及實(shí)用價(jià)值。
【效果簡(jiǎn)介】
近來(lái)，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研討所王書(shū)華博士（榜首作者）和郭玉國(guó)研討員（通訊作者）報(bào)導(dǎo)了經(jīng)過(guò)在筆直微孔孔道中調(diào)理鋰的堆積/溶解來(lái)得到安穩(wěn)的鋰金屬負(fù)極，進(jìn)而按捺鋰枝晶的成長(zhǎng)。他們系統(tǒng)剖析了多孔銅集流體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電流密度散布的影響以及鋰在不同尺度的多孔銅集流體內(nèi)的描摹演化。經(jīng)過(guò)COMSOL Multiphysics理論模仿，發(fā)現(xiàn)頂級(jí)效應(yīng)導(dǎo)致鋰在微孔道壁內(nèi)的優(yōu)先堆積，比較平板銅，他們規(guī)劃的集流體具有較大的比外表積和孔體積，有效削減了金屬鋰在集流體外表的堆積，進(jìn)而按捺了鋰枝晶的成長(zhǎng)。研討發(fā)現(xiàn)，具有多孔銅集流體的鋰負(fù)極，具有較高的循環(huán)安穩(wěn)性，200圈內(nèi)均勻庫(kù)倫功率約98.5％。此外，根據(jù)此種集流體所拼裝的LiFePO4/Li全充電機(jī)充電蓄電池表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率功能和安穩(wěn)的循環(huán)功能。相關(guān)效果以題為“Stable Li Metal Anodes via Regulating Lithium Plating/Stripping in Vertically Aligned Microchannels”宣布在了Advanced Materials上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 多孔銅集流體示意圖及模仿計(jì)算剖析
a）規(guī)劃的多孔銅集流體示意圖
b-d）多孔銅集流體上外表的電流密度散布模仿效果，圖中標(biāo)尺為10 μm。
e）鋰優(yōu)先堆積在多孔銅管壁上的示意圖
f，h，j，l）具有不同孔半徑的多孔銅上外表SEM圖
g，i，k，m）具有不同孔半徑的多孔銅的斷面SEM圖
鋰在不同孔半徑的銅集流體上堆積描摹的演化
a-d）半徑別離為5 μm，7.5 μm，10 μm及15 μm的多孔銅集流體上堆積鋰的SEM圖
e）在平板銅上堆積鋰的SEM圖
f）Li堆積在不同孔尺度集流體內(nèi)的過(guò)電勢(shì)比較
鋰堆積在多孔銅集流體的EPMA圖及SEM斷面圖
a-d）電流密度為1mA cm -2的多孔Cu-5-50-12上堆積不同容量鋰時(shí)的EPMA圖
e，f）在多孔Cu-5-50-12上鋰堆積物的SEM斷面圖
功能剖析
a）運(yùn)用不同孔半徑的多孔銅集流體時(shí)，充電機(jī)充電對(duì)稱蓄電池的循環(huán)功能
b）鋰堆積在平板銅及多孔Cu-5-50-12時(shí)的循環(huán)安穩(wěn)功能及庫(kù)倫功率
c）鋰堆積在多孔Cu-7.5-50-17、Cu-10-50-22、Cu-15-50-32時(shí)的循環(huán)安穩(wěn)功能及庫(kù)倫功率
d）不同循環(huán)圈數(shù)下，平板銅和多孔Cu-5-50-12的Li堆積/溶解時(shí)電壓散布細(xì)節(jié)圖
e）不同循環(huán)圈數(shù)下，鋰堆積在平板銅及多孔Cu-5-50-12上EIS圖
與磷酸鐵鋰（LFP）組成充電機(jī)充電蓄電池后循環(huán)功能及倍率功能剖析
a，b別離以多孔Cu-5-50-12 a)和平板銅b)為集流體的鋰負(fù)極，與充電機(jī)充電磷酸鐵鋰組成電池后，不同循環(huán)圈數(shù)時(shí)的電化學(xué)功能
c）平板銅和多孔銅為集流體時(shí)，Li / LFP充電機(jī)充電蓄電池的循環(huán)功能比較
d）平板銅和多孔銅為集流體時(shí)，Li / LFP充電機(jī)充電蓄電池的倍率功能比較
【小結(jié)】
該團(tuán)隊(duì)規(guī)劃了具有頂級(jí)效應(yīng)的筆直微孔孔道結(jié)構(gòu)以按捺Li枝晶的成長(zhǎng)。多孔銅的幾許形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)明顯影響電流密度散布，堆積鋰的描摹及其在半充電機(jī)充電蓄電池和全充電機(jī)充電蓄電池中的電化學(xué)功能。研討效果表明，具有筆直擺放的銅微孔孔道結(jié)構(gòu)為安全的鋰負(fù)極規(guī)劃供給了一個(gè)可行性的選擇。
團(tuán)隊(duì)介紹：
為處理充電機(jī)充電鋰金屬蓄電池循環(huán)中面對(duì)的鋰枝晶及庫(kù)倫功率低一級(jí)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研討所郭玉國(guó)研討員領(lǐng)導(dǎo)的研討團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在此范疇進(jìn)行了廣泛而深化的研討。在科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委及中國(guó)科學(xué)院的大力支持下，研討團(tuán)隊(duì)銳意進(jìn)取，取得了一系列的重要效果和發(fā)展。
團(tuán)隊(duì)在該范疇作業(yè)匯總：
該團(tuán)隊(duì)研討組研討人員長(zhǎng)時(shí)間致力于金屬鋰負(fù)極方面的相關(guān)研討，提出了一些列按捺鋰枝晶及進(jìn)步庫(kù)倫功率的新的方法和戰(zhàn)略。在前期作業(yè)中，初次提出使用三維銅集流體引導(dǎo)鋰在電極內(nèi)部的均勻堆積及溶解，作為范疇內(nèi)具有前瞻性的重要規(guī)劃理念，為后續(xù)多孔集流體研討供給了重要依據(jù)（Nat. Commun., 2015, 6,8058）。隨后，研討人員結(jié)合石墨資料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在三維導(dǎo)電骨架上成長(zhǎng)石墨化的碳顆粒，控制了碳球外表金屬鋰枝晶的成長(zhǎng)，在負(fù)極容量?jī)H過(guò)量5%的條件下，充電機(jī)充電蓄電池仍然具有安穩(wěn)的循環(huán)功能（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5916）。為了處理高面容量金屬鋰負(fù)極枝晶問(wèn)題，研討人員選用石墨化碳纖維作為多功能三維集流體，面容量可高達(dá)8 mAh cm-2，該高容量鋰負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中具有高庫(kù)倫功率、長(zhǎng)循環(huán)壽數(shù)及低極化電壓的特色（Adv. Mater., 2017, 29, 1700389）。近來(lái)，針對(duì)負(fù)極集流體上電流密度散布的問(wèn)題，他們報(bào)導(dǎo)了一種筆直擺放的銅微米通道結(jié)構(gòu)，理論模仿了電流密度的具體散布，并給出了不同尺度參數(shù)對(duì)電流密度及鋰堆積行為的影響，為安全鋰負(fù)極集流體的結(jié)構(gòu)規(guī)劃給出了重要的理論指導(dǎo)（Adv. Mater., 2017, doi：10.1002/adma.201703729）。為了削減金屬鋰與電解液之間的副反應(yīng)，研討者開(kāi)發(fā)了一種根據(jù)原位處理技能的磷酸鋰固態(tài)電解質(zhì)界面膜，較好地按捺了枝晶的成長(zhǎng)（Adv. Mater., 2016, 28, 1853），除此之外，該團(tuán)隊(duì)規(guī)劃出一類由醚類電解液和離子液體混合而成的新電解液系統(tǒng)，明顯改進(jìn)了鋰的循環(huán)安穩(wěn)功能（Adv. Sci,.2017, 4, 1600400），而在酯類電解液系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)增加AlCl3，獲得了安穩(wěn)的金屬鋰與酯類電解液之間的界面（Nano Energy, 2017, 36, 411）。別的，他們還撰寫(xiě)了系列總述文章，對(duì)充電機(jī)充電金屬鋰電池的研討進(jìn)行了總結(jié)概括，并為該范疇的后續(xù)開(kāi)展方向給出了前瞻性的猜測(cè)和判別。
