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青島能源所在鋰金屬電池研究中取得進展

2019年05月07日 8:16 15056次瀏覽 來源:   分類:

隨著經(jīng)濟全球化以及科技的快速發(fā)展,人類對能源的需求日益增加,尤其是近年來電動汽車和移動電子設備的蓬勃發(fā)展,高能量密度儲能材料成為科學研究的焦點。盡管傳統(tǒng)的以石墨為負極材料的插層式鋰離子電池在電子設備產(chǎn)品市場中占據(jù)重要地位,然而它的能量密度已經(jīng)接近其上限,逐漸無法滿足消費者的使用需求。與插層式的鋰離子電池相比,以金屬鋰直接作為負極使用的鋰金屬電池(如Li-S,Li-O2等電池體系)在能量密度方面表現(xiàn)出得天獨厚的優(yōu)勢,已經(jīng)成為近期的研究熱點。然而,金屬鋰陽極在使用過程中表現(xiàn)出許多亟待解決的實際問題。首先,它具有極高的電化學還原性能,在充放電過程中極易與電解液反應,大量消耗活性鋰和電解液。其次,不可控的枝晶生長和電極體積變化以及逐漸積累的副反應產(chǎn)物和“死鋰”始終是金屬鋰陽極面臨的嚴峻問題。依托中國科學院青島生物能源與過程研究所建設的青島儲能產(chǎn)業(yè)技術研究院研究人員深入分析了鋰金屬的特性,考慮到實際應用中的客觀情況,首先從原位實時形成角度來構筑人造界面(Chem. Mater. 2017, 29, 4682-4689),實現(xiàn)負極穩(wěn)定的鋰沉積和脫出;此外,工作人員對鋰金屬電池用電解液進行優(yōu)化,分別設計了含有添加劑的雙鹽電解液(Small, 2019, 1900269),改性聚碳酸亞乙烯酯基高電壓聚合物電解質(J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 5295-5304)以及剛柔并濟的高鋰離子遷移系數(shù)的復合電解質(Small, 2018, 14, 1802244),對金屬鋰陽極的界面進行有效的改性調控,對開發(fā)高能的鋰金屬二次電池具有較好的指導意義。其中,實驗所用添加劑為青島儲能院自主開發(fā)的新型大陰離子結構的全氟叔丁氧基三氟硼酸鋰(LiTFPFB)。

隨著鋰金屬陽極保護工作的不斷深入,研究人員對鋰金屬電池中的鋰枝晶和“死鋰”導致的失效機理越發(fā)關注,但是由于兩者相似的形貌,如何觀測和區(qū)分兩者是一個非常有挑戰(zhàn)的課題,而這個問題對于了解電池失效機理和預測鋰金屬電池的循環(huán)壽命極其重要。為描述鋰金屬負極表面活性鋰物種分布,并區(qū)分鋰枝晶和“死鋰”,青島儲能院的研究人員受分析化學中熒光探針方法的啟發(fā),設計了一種 9,10-二甲基(DMA)熒光探針,通過傳統(tǒng)可見光學手段完成了這項任務,該技術得到國際同行的肯定,相關成果撰寫了題目為Fluorescence Probing of Active Lithium Distribution for Lithium Metal Anode 的科研論文(Angewandte Chemie International Edition,2019,DOI:10.1002/anie.201900105)。

在電池進行充放電循環(huán)后,金屬鋰負極表面可能會產(chǎn)生副產(chǎn)物積累(大量副產(chǎn)物包覆會使活性鋰失活,即產(chǎn)生“死鋰”)。因此研究人員將熒光小分子DMA均勻涂覆在循環(huán)后的鋰金屬表面。由于DMA可以與活性鋰發(fā)生熒光猝滅的反應,而在副產(chǎn)物表面保持穩(wěn)定,因此可以表征鋰離子電池陽極表面活性鋰及其副產(chǎn)物在各種電解質中的分布情況,為鋰離子電池電解質的選擇提供了重要的參考依據(jù);在鋰沉積溶解過程中,副產(chǎn)物的積累被可視化和半定量地識別出來,可以把電池的性能衰減與副產(chǎn)物的量聯(lián)系起來,實現(xiàn)對電池性能失效的防控預警;在循環(huán)后的鋰負極表面可以清楚地識別出鋰枝晶和“死鋰”的位置,能夠對失效電池進行原因分析。這項技術為鋰金屬電池的失效機理分析提供了一個思路和方向。

相關系列研究獲得國家自然科學基金杰出青年科學基金、新能源汽車固態(tài)電池項目、中科院深海先導專項、山東省重點研發(fā)計劃基金、中科院青年促進會基金等的支持。

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(a)DMA與鋰金屬表面成分反應示意圖;(b)TEGDME/DME(1:1)中5 mg mL-1的DMA被金屬鋰處理前后(藍線為處理前,紅線為處理后)的發(fā)射光譜曲線;(c)DMA探針法觀察循環(huán)后鋰金屬表面活性鋰分布的過程

責任編輯:周大偉

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