鋰金屬具有理論容量密度高（3860 mAh/g）、電化學(xué)電勢低（-3.040 V vs. SHE）等特點(diǎn)，是理想的高能量密度電池負極。然而鋰金屬活性高，容易與傳統電解質(zhì)發(fā)生不可控的副反應，形成固態(tài)電解質(zhì)界面層（SEI）的化學(xué)和機械穩定性較差：一方面，循環(huán)過(guò)程中SEI的反復破裂會(huì )加速死鋰的形成和不可逆的活性鋰/電解質(zhì)損失；另一方面，溶劑誘導形成的SEI機械性能較差，不足以抑制鋰枝晶的生長(cháng)，導致枝晶刺穿隔膜造成電池短路。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒、張洪章帶領(lǐng)的研究團隊在具有長(cháng)循環(huán)壽命的鋰金屬電池研究方面取得進(jìn)展?？蒲腥藛T在電解液中引入一種新型添加劑——硝化纖維素，構建內共生的氮化鋰/纖維素雙層SEI（ES-DSEI），并用于鋰金屬電池中。ES-DSEI在用于鋰金屬保護中具有獨特優(yōu)勢：硝化纖維素會(huì )優(yōu)先與鋰反應，一步實(shí)現在鋰表面構建聚合物/無(wú)機層；外層的柔性聚合物層能夠適應鋰金屬在循環(huán)過(guò)程中的體積變化，其強粘附性能抑制內層無(wú)機物的剝離；內層的無(wú)機層具有機械強度高的特點(diǎn)，可以抑制枝晶的生長(cháng)，且晶型的氧化鋰和氮化鋰層有利于鋰離子傳輸?？蒲腥藛T利用密度泛函理論模擬計算證明，相較于鋰鹽陰離子和溶劑，硝化纖維素具有更低的最低未占據分子軌道（LUMO）能量。此外，硝化纖維素的硝基基團更易于與金屬鋰反應，在近鋰內層形成LiNO2等無(wú)機物種，而其主鏈則靠Li-O鍵緊密吸附在遠鋰外層。與未添加硝化纖維素的電解液相比，鋰負極在含有硝化纖維素為添加劑的電解液中循環(huán)壽命提高了一倍。該工作為長(cháng)壽命鋰金屬負極的設計提供了新思路。
相關(guān)研究成果以Endogenous Symbiotic Li3N / Cellulose Skin to Extend the Cycle Life of Lithium Anode為題，發(fā)表在A(yíng)ngewandte Chemie international edition上。論文第一作者為大連化物所博士研究生羅洋。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)項目、中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等項目的資助。
大連化物所發(fā)現內共生氮化鋰/纖維素層可延長(cháng)鋰金屬負極循環(huán)壽命
