鋰金屬電池的商業(yè)化一直受限于安全問題和有限的循環(huán)壽命。使用新型不易燃的固態(tài)電解質(zhì)替換傳統(tǒng)易燃的有機(jī)電解液可以顯著降低鋰金屬電池起火和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。但由于固態(tài)電解質(zhì)和電極材料之間有限的固固界面接觸，使得固態(tài)鋰金屬電池的電化學(xué)性能受限，滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需求。
從固態(tài)鋰金屬電池的負(fù)極方面考慮，固態(tài)多級(jí)結(jié)構(gòu)鋰金屬復(fù)合負(fù)極的構(gòu)筑需采用一種理想的框架材料。該框架材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
1）來源豐富且成本低廉；
2）對(duì)鋰金屬有很強(qiáng)的親和性；
3）豐富的孔道結(jié)構(gòu)以容納鋰金屬。
因此，在電極內(nèi)部采用多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)界面接觸是提升固態(tài)鋰金屬電池性能的有效途徑。
最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌課題組和俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)受硅藻土具有的多級(jí)結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā)，以天然硅藻土為模板成功制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、無枝晶生長的多級(jí)結(jié)構(gòu)鋰金屬固態(tài)復(fù)合負(fù)極，基于該鋰金屬復(fù)合負(fù)極構(gòu)筑的固態(tài)鋰金屬電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
研究人員首先通過鎂熱還原法將天然的硅藻土轉(zhuǎn)化為具有多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的硅框架。隨后，將該多級(jí)結(jié)構(gòu)硅框架與熔融態(tài)的鋰金屬混合并充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)制得鋰-硅復(fù)合粉體。然后，采用聚環(huán)氧乙烷基聚合物固態(tài)電解質(zhì)（PEO-SPE）對(duì)鋰-硅粉體進(jìn)行表面修飾。最后，通過冷壓工藝將上述粉體在模具中壓制成具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)合鋰金屬負(fù)極（PEO-DLSL）（圖1a）。
圖1：（a）硅藻土模板衍生的多級(jí)結(jié)構(gòu)固態(tài)鋰金屬復(fù)合負(fù)極的制備過程示意圖。（b）多級(jí)結(jié)構(gòu)固態(tài)鋰金屬復(fù)合負(fù)極的鋰沉積/脫出示意圖。（c）平板鋰箔負(fù)極的的鋰沉積/脫出示意圖。
在PEO-DLSL中，鋰金屬是嵌在PEO-SPE修飾的Li4.4Si框架的孔道結(jié)構(gòu)之中，從而提升了其與電解質(zhì)的接觸面積，有利于得到更均勻的鋰離子流，保持了電極結(jié)構(gòu)的完整性。從而使得在較高電流密度下（>0.5 mA cm-2），多級(jí)結(jié)構(gòu)鋰金屬復(fù)合負(fù)極能夠?qū)崿F(xiàn)鋰金屬的均勻沉積和脫出，有效抑制了鋰枝晶的生長（圖1b）。而對(duì)于傳統(tǒng)的平板鋰箔而言，在同樣的條件下，鋰枝晶很容易生長并引起電池短路（圖1c）。
以PEO-SPE作為固態(tài)電解質(zhì)，PEO-DLSL對(duì)稱電池在鋰脫出/沉積測(cè)試中可穩(wěn)定性循環(huán)超過1000小時(shí)不短路，同時(shí)極化電壓可以保持在100毫伏以下。而傳統(tǒng)的鋰箔負(fù)極表現(xiàn)出很高的極化電壓（200毫伏以上）并且在循環(huán)50圈后就發(fā)生了短路（圖2a）。研究人員進(jìn)一步考察了PEO-DLSL在全固態(tài)鋰金屬電池（PEO-SPE為固態(tài)電解質(zhì)，磷酸鐵鋰為正極）中的性能，如圖2b所示，基于PEO-DLSL的固態(tài)鋰金屬電池表現(xiàn)出非常好的循環(huán)穩(wěn)定性（0.5C倍率下可循環(huán)500圈，容量衰減速率為0.04%/每圈），而采用平板鋰箔的固態(tài)鋰金屬電池在循環(huán)75圈后即發(fā)生了短路（圖2a）。
圖2：（a）多級(jí)結(jié)構(gòu)鋰金屬復(fù)合負(fù)極與平板鋰箔的對(duì)稱電池循環(huán)性能對(duì)比。（b）多級(jí)結(jié)構(gòu)鋰金屬復(fù)合負(fù)極與平板鋰箔的全固態(tài)鋰金屬電池循環(huán)性能對(duì)比。
綜上，基于硅藻土多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)模板，研究人員成功構(gòu)筑了多級(jí)結(jié)構(gòu)鋰金屬復(fù)合負(fù)極，在全固態(tài)鋰金屬電池應(yīng)用中表現(xiàn)了突出的電化學(xué)性能。這項(xiàng)研究是天然多級(jí)結(jié)構(gòu)模板在制備高性能固態(tài)鋰金屬復(fù)合負(fù)極方面新的嘗試，將為高比能/高安全儲(chǔ)能器件的研制提供新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。
時(shí)間：7月10-12日，地點(diǎn)：北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
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