我国科大仿硅藻土多级结构研发高功能固态锂电池复合负极
来源：M6平台 发布时间：2024-11-05 18:09:27
锂金属因为其高比容量和低的氧化复原电位是未来新式高比能电池的抱负负极资料。但是，锂金属电池的商业化一向受限于安全问题和有限的循环寿数。运用新式不易燃的固态电解质替换传统易燃的有机电解液能够显着下降锂金属电池起火和爆破的危险。但因为固态电解质和电极资料之间有限的固固界面触摸，使得固态锂金属电池的电化学功能受限，满意不了实践使用的需求。从固态锂金属电池的负极方面考虑，固态多级结构锂金属复合负极的构筑需选用一种抱负的结构资料。该结构资料应具有以下特色：）丰厚的孔道结构以包容锂金属。因而，在电极内部选用多级结构设计增强界面触摸是提高固态锂金属电池功能的有用途径。
最近，我国科学技术大学姚宏斌课题组和俞书宏教授领导的研讨团队受硅藻土具有的多级结构特征的启示，以天然硅藻土为模板成功制备了结构安定、无枝晶成长的多级结构锂金属固态复合负极，根据该锂金属复合负极构筑的固态锂金属电池体现出优异的电化学功能。该作业于2019年6月6日以“硅藻土衍生的多级复合负极用于高功能全固态锂金属电池”为题发表于《天然·通讯》（Nature Communations2019, 10, 2482）。论文的榜首作者是我校博士后周飞。
研讨人员首要经过镁热复原法将天然的硅藻土转化为具有多级孔道结构的硅结构。随后，将该多级结构硅结构与熔融态的锂金属混兼并充沛拌和反应制得锂-硅复合粉体。然后，选用聚环氧乙烷基聚合物固态电解质（PEO-SPE）对锂-硅粉体进行外表润饰。最终，经过冷压工艺将上述粉体在模具中压制成具有多级结构的复合锂金属负极（PEO-DLSL）（图1a）。在PEO-DLSL中，锂金属是嵌在PEO-SPE润饰的Li4.4Si结构的孔道结构之中，然后提高了其与电解质的触摸面积，有利于得到更均匀的锂离子流，坚持了电极结构的完整性。然后使得在较高电流密度下（0.5 mA cm-2），多级结构锂金属复合负极能够在必定程度上完结锂金属的均匀堆积和脱出，有用按捺了锂枝晶的成长（图1b）。而关于传统的平板锂箔而言，在相同的条件下，锂枝晶很简单成长并引起电池短路（图1c）。
图1：（a）硅藻土模板衍生的多级结构固态锂金属复合负极的制备进程示意图。（b）多级结构固态锂金属复合负极的锂堆积/脱出示意图。（c）平板锂箔负极的的锂堆积/脱出示意图。
以PEO-SPE作为固态电解质，PEO-DLSL对称电池在锂脱出/堆积测验中可稳定性循环超越1000小时不短路，一起极化电压能坚持在100毫伏以下。而传统的锂箔负极体现出很高的极化电压（200毫伏以上）并且在循环50圈后就发生了短路（图2a）。研讨人员进一步调查了PEO-DLSL在全固态锂金属电池（PEO-SPE为固态电解质，磷酸铁锂为正极）中的功能，如图2b所示，根据PEO-DLSL的固态锂金属电池体现出非常好的循环稳定性（0.5C倍率下可循环500圈，容量衰减速率为0.04%/每圈），而选用平板锂箔的固态锂金属电池在循环75圈后即发生了短路（图2a）。
图2：（a）多级结构锂金属复合负极与平板锂箔的对称电池循环功能比照。（b）多级结构锂金属复合负极与平板锂箔的全固态锂金属电池循环功能比照。
综上，根据硅藻土多级孔道结构模板，研讨人员成功构筑了多级结构锂金属复合负极，在全固态锂金属电池使用中体现了杰出的电化学功能。这项研讨是天然多级结构模板在制备高功能固态锂金属复合负极方面新的测验，将为高比能/高安全储能器材的研发供给新的结构设计思路。
该项研讨遭到国家天然科学基金委立异研讨集体、国家天然科学基金要点项目、我国科学院前沿科学要点研讨项目、我国科学院纳米科学杰出立异中心、姑苏纳米科技协同立异中心等的赞助。
(合肥微标准物质科学国家研讨中心、化学与资料科学学院、我国科学院纳米科学杰出立异中心、姑苏纳米科技协同立异中心、科研部)
