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鋰電池性能再破紀錄 新型涂層助力突破兩大瓶頸

來源:財聯社 2021-12-10 08:38中投網 A-A+

   眾所周知,鋰離子電池憑借著其出色的能量密度在當代社會上被廣泛使用,盡管它在循環使用的過程中容易生成枝晶以及SEI膜,進而使電池性能受損、失效甚至有起火風險,但至今還沒有一種完美的新技術能將其取而代之。

  一直以來,科學家們也是竭盡所能地尋找新方法來攻克這些瓶頸。據報道,美國阿肯色大學(the University of Arkansas)的研究人員近期開發了一種新型的含鋰交聯聚合物材料。這種新材料名為LiGL(GL=丙三醇/甘油),有助于解決上述商用鋰金屬負極存在的兩個問題。

  據稱,這種LiGL聚合物膜具有優異的性能,能有效防止鋰金屬陽極的枝晶生長和SEI膜形成,實現鋰電極長期穩定的循環性能。這項研究成果已于近期發表在了《能源材料進展》(Energy Material Advances)雜志上。

  迄今為止,已經報道了多種技術策略來解決鋰負極的問題,例如三維(3D)鋰承載框架、電解質添加劑、固態電解質和表面涂層。“在這些努力中,表面涂層仍然是一種簡便有效的途徑,”該研究論文通訊作者、阿肯色大學機械工程系教授Xiangbo Meng說。

  “分子層沉積(MLD)最近已經成為一個新的研究方向,于2018年首次實踐,”Meng說,“這些通過MLD精確合成的聚合物薄膜,比無機薄膜有更好的柔韌性,有助于提供更好的保護效果,從而提高鋰金屬負極的性能。”

  Meng和他的團隊已經開發了三種鋰離子聚合物MLD工藝,并研究了這些聚合物薄膜涂層的保護作用,試圖實現長期穩定的循環性能,并且幾乎不會形成鋰枝晶和鋰電極的 SEI。

  “在這項工作中,我們首次開發了一種新型的含鋰交聯聚合物材料,一種能夠對鋰金屬陽極產生優異保護效果的鋰酮,”孟說。“我們發現,LiGL鋰酮可以作為一種特殊的聚合物保護膜覆蓋在鋰金屬陽極上。”

  據他介紹,這種LiGL MLD對鋰電極顯示出出色的保護效果,即顯著抑制鋰枝晶并減少SEI形成。計算模擬和實驗還顯示,該MLD LiGL膜是電絕緣性和離子導電的。

  在他們的研究中,實驗數據表明,涂覆LiGL鋰酮的鋰電極具有優異的循環穩定性。在電流密度為5 mA/cm2,面積容量為1 mAh/cm2的條件下,Li/Li對稱電芯中的鋰剝離或電鍍循環次數可達到13600次以上,而不出現故障。

  目前,更新結果顯示,無故障循環能力已增長至20000多次鋰剝離/電鍍循環(超過1萬小時或一年以上)。據了解,這是迄今報道過的最好的循環性能。因此,MLD LiGL技術為解決鋰負極問題鋪設了技術途徑。

  “LiGL涂層的性能,如機械性能和導電性,是它們對鋰金屬電極的出色保護作用的基礎,”Meng說:“我們開發的這種新型LiGL代表了對鋰負極現有問題的簡便有效的解決方案,并可能為鋰金屬電池鋪平了技術上可行的路線。”

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