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解决高比能金属锂二次电池中锂枝晶不可控生长的难题

发布时间:2020-04-02 阅读数:4566


       以金属锂作为负极的金属锂电池是极具前景的下一代高比能电池。然而,在金属锂电池循环过程中,金属锂负极表面容易生长出锂枝晶。长大的枝晶会刺破电池隔膜,造成短路,埋下电池过热自燃或爆炸的安全隐患。金属锂枝晶的抑制对金属锂电池的商业化应用至关重要。

      近日,浙江工业大学材料科学与工程学院陶新永教授团队,在国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的资助下,通过微观认知金属锂晶体的生长机制,解决了高比能金属锂二次电池中锂枝晶不可控生长的难题,相关成果连续发表于Science子《Science Advances》和Nature子刊《Nature Communications》。

 

图1: 碳包覆金属氟化物胶囊构建稳定金属锂负极示意图和冷冻透射电镜解析

 

       陶新永教授与新加坡南洋理工大学楼雄文教授(共同通讯作者)联合浙江工业大学张文魁教授、浙江大学田鹤教授提出了用于改善金属锂负极稳定性的NaMg(Mn)F3亚微米立方体,并在其表面包覆碳作为电池系统中的“缓释胶囊”,可以将功能性的金属离子和氟离子长效缓慢释放到电解液中。冷冻透射电镜技术证实,金属离子原位形成的金属层可以诱导锂的均匀形核,氟离子则可以增强固态电解质界面膜的稳定性。经可溶金属氟化物修饰的锂负极在2 mA/cm2电流密度下,经过1000次循环库伦效率仍然保持在98%以上,高于常规金属锂负极材料。(Sci. Adv. 2020, 6, eaaz3112)

 

2:生物大分子网络调控锂结晶行为的示意图和冷冻透射电镜解析

 

       陶新永教授与校聘副教授刘育京博士(共同通讯作者)联合浙江工业大学张文魁教授、浙江大学田鹤教授、南京大学金钟教授,受生物矿化作用的启发,采用三氟乙醇处理的天然蛋膜(TESM)调控金属锂的结晶行为。冷冻透射电镜的原子级成像显示,TESM可以抑制锂单晶沿枝晶生长取向,特别是<111>晶向的生长。TESM中亲锂蛋白组分可以参与固态电解质界面膜的形成,从而提升锂离子通量,减少高指数晶面的优先生长,实现无枝晶的锂沉积。形成了从仿生机制出发,以晶体学的微观视角深入认知并解决锂沉积本质问题的全新的研究思路。(Nat. Commun. 2020,11, 488)。两项工作的第一通讯单位均为浙江工业大学,第一作者分别是该校博士生袁华栋及博士生居治金。

图3:浙江工业大学陶新永教授团队合影

 

论文链接

1. https://advances.sciencemag.org/content/6/10/eaaz3112

2. https://www.nature.com/articles/s41467-020-14358-1


作者链接

       陶新永,浙江工业大学材料学院副院长,教授,博导,获浙江省自然科学基金杰出青年基金(2013年)、国家自然科学基金优秀青年基金项目资助(2017年)。主要研究方向包括碳基功能材料制备及储能性能,先进二次电池及新能源材料等。共发表SCI 收录论文130余篇,以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Sci. Adv.、ACS Nano、Nano Lett.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等IF>10学术期刊上发表30余篇论文;论文共被引用近1万次,入选ESI 高被引论文12 篇,H 因子51;获授权发明专利36 项;合作编写英文章节2 章。

 

 

                               


资料来源:浙江工业大学材料学院

 



 
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