南科大邓永红团队在下一代超高能量密度锂金属电池应对计谋获进展

 新闻资讯     |      2022-06-13 00:22
本文摘要:南科大邓永红团队在下一代超高能量密度锂金属电池应对计谋获进展 近日,南边科技大学质料科学与工程系副传授邓永红团队针对下一代高能量密度锂电池中面对的锂枝晶关键问题,在新型锂金属负极集流体开辟和锂负极人工SEI膜研究的应对计谋方面取得最新进展,研究结果在质料类国际著名期刊《先进质料》(Advance Materials)颁发。

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南科大邓永红团队在下一代超高能量密度锂金属电池应对计谋获进展 近日,南边科技大学质料科学与工程系副传授邓永红团队针对下一代高能量密度锂电池中面对的锂枝晶关键问题,在新型锂金属负极集流体开辟和锂负极人工SEI膜研究的应对计谋方面取得最新进展,研究结果在质料类国际著名期刊《先进质料》(Advance Materials)颁发。论文以“自组织复合锂金属负极助力500 Wh/Kg 锂金属电池(500 Wh/Kg Class Li Metal Battery Enabled by Self-Organized Core-Shell Composite Anode)”为题,首次提出一种全新的抑制锂枝晶的方法,并可以将锂金属负极在减少质量的同时减少负极的体积,从而使锂金属电池同时实现超高体积能量密度1500 Wh L–1和质量能量密度 483 Wh kg–1 ,甚至实现>500 Wh /kg的能量密度。邓永红团队首次提出一种全新的抑制锂枝晶的方法,可以将锂金属负极在减少质量的同时减少负极的体积,从而使锂金属电池同时实现超高体积能量密度1500 Wh L–1和质量能量密度 483 Wh kg–1 ,甚至实现500 Wh /kg的方针。展开全文 图1. 制备锂化液态金属复合锂金属负极示意图及过饱和沉积锂金属后锂化液态金属复合锂金属负极描摹变化 操纵液态金属室温下的流动性延展性,团队用刮涂法将GaInSn液态金属刮涂在隔阂上(a),裁片后与锂金属片对装电池后做放电尝试可知(d),在放电初期锂和液态金属产生合金化反映形成锂化液态金属合金(LixLMy), 继续放电会发生锂金属析出,产生锂金属的过饱和沉积。

按照(i-l)SEM的平面图和对应的截面图,可知跟着放电的时间增长,膜层内会析出锂金属颗粒,并增长变大,并未有枝晶发生。有趣的是,锂合金化液态金属初期,LixLMy中产生了液态金属自发的相分散。(m, n)STEM-HAADF图像和 EDS的mapping透露了液态金属锂化后Ga依然匀称漫衍, 而Sn和In锂化前是匀称漫衍(图S2),但锂化后,伶仃的Sn/In颗粒如同群岛嵌入在Ga元素相内(图m和n)。

由于Li和Sn/In相对于Ga拥有更高的联合能 (图o),因此,Li优先与Sn/In联合,形成SnInLi簇,与GaLi相分散(图1f和1n)。假如将Li进一步电化学沉积到液态金属中直到过饱和,导致了SnInLi团簇上的锂金属析出自发成核(图1g和1j)。跟着锂金属沉积量的增加,锂金属的纳米级核逐渐发展为微米级粒子(图1k),并逐渐融合成一个持续的Li金属薄膜(图1h和1l)。图2. 通过原位充放电透射电镜技能研究锂化液态金属形成历程及锂金属在锂化液态金属内的成核现象 团队用原位透射电镜直接调查Li/LixLMy的形核历程。

涂有锂金属的钨针电极与液态金属打仗以形成一个微型电化学池。团队通过加电压,颠末15 s的锂化后,LM的外部区域变得更亮,在25 s时整个LM颗粒被Li完全饱和,形成LixLMy(图2c)。

之后锂金属开始在GaLi基质中成核(33 s),生长(40 s),形成Li/LixLMy。HAADF和电子能量损失谱(EELS)阐发进一步证实了在Li/LixLMy外围区域存在富镓元素相,在Li/LixLMy中间为Sn/In元素相和Li金属相(图2d、2e和2g)。

图2c中,33s和40s红点区域的黑斑代表Sn和In元素堆积相,图2c中,40s蓝点区域的黑斑周围的亮点为锂金属。图4. 制备锂化液态金属复合锂金属负极示意图及过饱和沉积锂金属后锂化液态金属复合锂金属负极描摹变化 基于Li/LixLMy复合负极中锂金属相对较易在富含In/Sn的岛装内核上形核并沉积。Li/LixLMy中没有枝晶得益于两个因素。

首先,GaLi合金外壳提供了一个高离子和电导率的情况,这允许来自电解液的锂离子和来自金属电极的电子在这一合金层充实混淆打仗。这样的导电层使得锂的沉积时机均等,从而导致Li的各向同性成核和均质生长沉积(图4a)。(e,d)基于锂金属岛装成核和锂离子电子电导率高的特点,团队操纵COMSOL模拟了锂离子在LixLMy和通例铜箔上的沉积历程。对于前者,LixLMy的基质中呈现小的锂金属核,然后成长成较大的粒子,并生长成持续的锂金属薄膜(图4d),这与图1中SEM图相吻合。

相反,铜箔上呈现了一个小的锂金属突起,并当即长成一个大柱状锂金属枝晶(图4e)。这些模拟成果与原位光学显微镜研究(图4f和4g)很是吻合。

图6. 差别N/P比的Li/LixLMy复合电极与贸易化NCM622正极在通例电解液中构建ncm622|LixLMy全电池。差别N/P比的Li/LixLMy复合电极与贸易化NCM622正极(~16 mg cm−2)在通例电解液中构建无铜集流体的ncm622|LixLMy全电池。这里需要指出的是,由于LixLMy具有很高的导电性,因此不再需要使用铜箔。Cu的去除有效地降低了电池的重量和体积,有助于同时提高全电池的体积能量密度和质量能量密度(图6a和6b)。

Ga、In和Sn的密度别离为5.91g cm-3、7.31 g cm-3、5.75 g cm-3,远低于Cu的密度(8.96 g cm-3)。锂化液态金属层约莫是1-5微米,贸易化铜箔凡是为10微米。与铜箔比拟,LixLMy同时减轻了重量和体积,有利于提高电池的体积能量密度和质量能量密度。N / P比值为0时,全电池的能量密度到达1500 Wh L-1和 483 Wh/kg,它的能量密度是贸易NCM622 |石墨全电池的2倍多,甚至实现>500 Wh /kg的能量密度。

该项研究由邓永红课题组与香港理工大学郑子剑传授团队互助完成。邓永红、郑子剑为文章通讯作者,南科大为论文第一通讯单元。邓永红课题组2018级南科大-北大联培博士研究生韩兵为第一作者、2019届华南理工大学会见学生徐东伟为第二作者、博士后池上森为第三作者。

研究的透射电镜数据收罗于南科大皮米中心,研究获得了南科大皮米中心何东升老师的鼎力大举帮忙。本研究得到了广东省重点范畴研发打算、国度自然科学基金、中央高校根基科研业务费专项资金、中国科学院大连清洁能源国度尝试室互助基金、深圳市固态电池重点尝试室、广东省电驱动力能源质料重点尝试室及中国博士后基金资助。来历:南边科技大学 论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202004793返回,检察更多。


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