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，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(tǒng)電解質(zhì)發(fā)生不可控的副反應(yīng)，形成固態(tài)電解質(zhì)界面層(SEI)的化學(xué)和機械穩(wěn)定性較差：一方面，循環(huán)過程中SEI的反復(fù)破裂會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(dǎo)形成的SEI機械性能較差，不足以抑制鋰枝晶的生長，導(dǎo)致枝晶刺穿隔膜造成電池短路。
本工作中，該團隊在電解液中引入一種新型添加劑——硝化纖維素，構(gòu)建內(nèi)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的優(yōu)勢：硝化纖維素會優(yōu)先與鋰反應(yīng)，一步實現(xiàn)在鋰表面構(gòu)建聚合物/無機層;外層的柔性聚合物層能夠適應(yīng)鋰金屬在循環(huán)過程中的體積變化，其強粘附性還能抑制內(nèi)層無機物的剝離;內(nèi)層的無機層具有機械強度高的特點，可以抑制枝晶的生長，且晶型的氧化鋰和氮化鋰層也有利于鋰離子傳輸。該團隊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(jù)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(yīng)，在近鋰內(nèi)層形成LiNO2等無機物種，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。該工作為長壽命鋰金屬負極的設(shè)計提供了新思路。
相關(guān)研究以題為“Endogenous Symbiotic Li3N / Cellulose Skin to Extend the Cycle Life of Lithium Anode”發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。該工作的第一作者是我所DNL1701組2017級博士研究生羅洋。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)項目、中科院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。(文/圖 羅洋)
