充電機(jī)充電蓄電池鋰負(fù)極成核無(wú)鋰枝晶重要發(fā)展
2017-9-7 9:15:38??????點(diǎn)擊：
跟著電動(dòng)汽車、手機(jī)、筆記本電腦等職業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)高能量密度、高安全性的充電機(jī)充電儲(chǔ)能蓄電池的需求日益增長(zhǎng)。在各類充電機(jī)充電蓄電池體系中，金屬鋰因?yàn)槠渥罡叩睦碚摫饶芰浚?860 mAh g-1）及最低的氧化還原電極電勢(shì)（-3.040 V vs. 標(biāo)準(zhǔn)氫電極）而成為下一代充電機(jī)充電蓄電池負(fù)極資料的研討熱門。但是，金屬鋰負(fù)極在充放電進(jìn)程中，易構(gòu)成針狀或樹枝狀的鋰枝晶。鋰枝晶的構(gòu)成和成長(zhǎng)會(huì)給充電機(jī)充電蓄電池體系帶來(lái)不可逆的容量損失，乃至可能會(huì)穿過隔閡而導(dǎo)致充電機(jī)充電蓄電池正負(fù)極內(nèi)部短路，埋下充電機(jī)充電蓄電池過熱自燃等安全隱患。為處理這些問題，科研作業(yè)者們從充電機(jī)充電蓄電池結(jié)構(gòu)規(guī)劃、電解質(zhì)體系調(diào)控等視點(diǎn)進(jìn)行了許多測(cè)驗(yàn)，但現(xiàn)在還都不能完美處理金屬鋰負(fù)極的循環(huán)功率低、循環(huán)穩(wěn)定性差、安全性低一級(jí)問題。按捺金屬鋰枝晶的成長(zhǎng)需求更多新的思考視點(diǎn)以及新的處理戰(zhàn)略。近年來(lái)，清華化工系張強(qiáng)課題組在金屬鋰負(fù)極形核和無(wú)枝晶成長(zhǎng)范疇展開了一系列原創(chuàng)性研討。
選用中國(guó)傳統(tǒng)國(guó)畫方式表述"親鋰位點(diǎn)定向形核"思維，經(jīng)過形核調(diào)控金屬鋰負(fù)極的無(wú)枝晶成長(zhǎng)，被《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）選為該刊物封面。
研討金屬鋰堆積的形核進(jìn)程是調(diào)控金屬鋰堆積、按捺枝晶成長(zhǎng)的起點(diǎn)。傳統(tǒng)銅集流體上金屬鋰形核困難，簡(jiǎn)單導(dǎo)致構(gòu)成金屬鋰枝晶。該研討團(tuán)隊(duì)初次提出，選用摻氮石墨烯為骨架，完成穩(wěn)定的、無(wú)枝晶的金屬鋰堆積。鋰離子在充電開始時(shí)，優(yōu)先吸附在導(dǎo)電親鋰的摻氮位點(diǎn)并堆積構(gòu)成均勻、密布散布的金屬鋰形核點(diǎn)。在后續(xù)充電進(jìn)程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻、密布的形核點(diǎn)進(jìn)行堆積，然后避免了普通銅箔上形核點(diǎn)過度渙散構(gòu)成的金屬鋰枝晶成長(zhǎng)行為。憑借摻氮石墨烯骨架的親鋰性和導(dǎo)電性，這一新式金屬鋰負(fù)極結(jié)構(gòu)不只完成了無(wú)枝晶的高安全性金屬鋰堆積特性，還體現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)功能。最近，研討組相關(guān)效果以《摻雜石墨烯中親鋰位點(diǎn)調(diào)控?zé)o枝晶金屬鋰負(fù)極的均勻形核》（Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）為題，發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上，根據(jù)該論文“親鋰位點(diǎn)定向形核”思維規(guī)劃的圖片被選為當(dāng)期雜志封面。
經(jīng)過摻氮石墨烯上具有親鋰性的含氮官能團(tuán)（吡啶氮、吡咯氮等）作為形核位點(diǎn)，促進(jìn)電解質(zhì)中的鋰離子在充電開始時(shí)優(yōu)先吸附在導(dǎo)電親鋰的位點(diǎn)上進(jìn)而堆積構(gòu)成均勻散布的金屬鋰形核點(diǎn)，在后續(xù)充電進(jìn)程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻形核點(diǎn)進(jìn)行均勻堆積。
為按捺金屬鋰負(fù)極的枝晶成長(zhǎng)，張強(qiáng)研討團(tuán)隊(duì)與美國(guó)德雷塞爾大學(xué)的尤里·高果奇（Yury Gogotsi）研討團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)江建軍研討團(tuán)隊(duì)合作，提出納米金剛石共堆積戰(zhàn)略來(lái)調(diào)控鋰離子的形核和堆積行為。在慣例電解液中，鋰離子不均勻地散布在集流體外表，導(dǎo)致金屬鋰的不均勻堆積和枝晶成長(zhǎng)。當(dāng)在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時(shí)，這些粒子可在電場(chǎng)和流體傳送效果下抵達(dá)負(fù)極外表、并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強(qiáng)吸附效果，吸附鋰離子、成為鋰離子的形核點(diǎn)并誘導(dǎo)金屬鋰堆積。因?yàn)殇囯x子在納米金剛石外表的擴(kuò)散勢(shì)壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積，而不會(huì)集合構(gòu)成枝晶。經(jīng)過鋰堆積描摹剖析發(fā)現(xiàn)，納米金剛石電解液中的金屬鋰堆積為均勻的陣列狀結(jié)構(gòu)，按捺了無(wú)序枝晶的呈現(xiàn)。相關(guān)作業(yè)以《納米金剛石按捺金屬鋰負(fù)極枝晶成長(zhǎng)》(Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites)為題，發(fā)表在《天然·通訊》（Nature Communications）上。
當(dāng)在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時(shí)，這些粒子能夠在電場(chǎng)和流體的傳送效果下抵達(dá)負(fù)極外表，并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強(qiáng)吸附效果，將會(huì)吸附鋰離子，成為鋰離子的形核點(diǎn)并誘導(dǎo)鋰離子在這些點(diǎn)的堆積。因?yàn)殇囯x子在納米金剛石外表的擴(kuò)散勢(shì)壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積。
相關(guān)研討提醒了金屬鋰負(fù)極形核和成長(zhǎng)規(guī)則，選用化學(xué)工程的手法有用調(diào)控離子輸運(yùn)和界面反響規(guī)則，提出親鋰位點(diǎn)定向形核、納米金剛石添加劑調(diào)控鋰堆積等戰(zhàn)略，有用地按捺了金屬鋰枝晶的成長(zhǎng)。現(xiàn)在，市售充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的能量密度大體在120-220 Wh/kg之間。根據(jù)該課題組開發(fā)的納米固態(tài)復(fù)合金屬鋰可用于開發(fā)能量密度為350-600 Wh/kg的高安全、高比能鋰金屬充電機(jī)充電蓄電池，提高充電機(jī)充電蓄電池體系的安全性和比能量，然后有望添加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航路程，延伸手機(jī)等消費(fèi)電子設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。
選用中國(guó)傳統(tǒng)國(guó)畫方式表述"親鋰位點(diǎn)定向形核"思維，經(jīng)過形核調(diào)控金屬鋰負(fù)極的無(wú)枝晶成長(zhǎng)，被《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）選為該刊物封面。
研討金屬鋰堆積的形核進(jìn)程是調(diào)控金屬鋰堆積、按捺枝晶成長(zhǎng)的起點(diǎn)。傳統(tǒng)銅集流體上金屬鋰形核困難，簡(jiǎn)單導(dǎo)致構(gòu)成金屬鋰枝晶。該研討團(tuán)隊(duì)初次提出，選用摻氮石墨烯為骨架，完成穩(wěn)定的、無(wú)枝晶的金屬鋰堆積。鋰離子在充電開始時(shí)，優(yōu)先吸附在導(dǎo)電親鋰的摻氮位點(diǎn)并堆積構(gòu)成均勻、密布散布的金屬鋰形核點(diǎn)。在后續(xù)充電進(jìn)程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻、密布的形核點(diǎn)進(jìn)行堆積，然后避免了普通銅箔上形核點(diǎn)過度渙散構(gòu)成的金屬鋰枝晶成長(zhǎng)行為。憑借摻氮石墨烯骨架的親鋰性和導(dǎo)電性，這一新式金屬鋰負(fù)極結(jié)構(gòu)不只完成了無(wú)枝晶的高安全性金屬鋰堆積特性，還體現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)功能。最近，研討組相關(guān)效果以《摻雜石墨烯中親鋰位點(diǎn)調(diào)控?zé)o枝晶金屬鋰負(fù)極的均勻形核》（Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）為題，發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上，根據(jù)該論文“親鋰位點(diǎn)定向形核”思維規(guī)劃的圖片被選為當(dāng)期雜志封面。
經(jīng)過摻氮石墨烯上具有親鋰性的含氮官能團(tuán)（吡啶氮、吡咯氮等）作為形核位點(diǎn)，促進(jìn)電解質(zhì)中的鋰離子在充電開始時(shí)優(yōu)先吸附在導(dǎo)電親鋰的位點(diǎn)上進(jìn)而堆積構(gòu)成均勻散布的金屬鋰形核點(diǎn)，在后續(xù)充電進(jìn)程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻形核點(diǎn)進(jìn)行均勻堆積。
為按捺金屬鋰負(fù)極的枝晶成長(zhǎng)，張強(qiáng)研討團(tuán)隊(duì)與美國(guó)德雷塞爾大學(xué)的尤里·高果奇（Yury Gogotsi）研討團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)江建軍研討團(tuán)隊(duì)合作，提出納米金剛石共堆積戰(zhàn)略來(lái)調(diào)控鋰離子的形核和堆積行為。在慣例電解液中，鋰離子不均勻地散布在集流體外表，導(dǎo)致金屬鋰的不均勻堆積和枝晶成長(zhǎng)。當(dāng)在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時(shí)，這些粒子可在電場(chǎng)和流體傳送效果下抵達(dá)負(fù)極外表、并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強(qiáng)吸附效果，吸附鋰離子、成為鋰離子的形核點(diǎn)并誘導(dǎo)金屬鋰堆積。因?yàn)殇囯x子在納米金剛石外表的擴(kuò)散勢(shì)壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積，而不會(huì)集合構(gòu)成枝晶。經(jīng)過鋰堆積描摹剖析發(fā)現(xiàn)，納米金剛石電解液中的金屬鋰堆積為均勻的陣列狀結(jié)構(gòu)，按捺了無(wú)序枝晶的呈現(xiàn)。相關(guān)作業(yè)以《納米金剛石按捺金屬鋰負(fù)極枝晶成長(zhǎng)》(Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites)為題，發(fā)表在《天然·通訊》（Nature Communications）上。
當(dāng)在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時(shí)，這些粒子能夠在電場(chǎng)和流體的傳送效果下抵達(dá)負(fù)極外表，并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強(qiáng)吸附效果，將會(huì)吸附鋰離子，成為鋰離子的形核點(diǎn)并誘導(dǎo)鋰離子在這些點(diǎn)的堆積。因?yàn)殇囯x子在納米金剛石外表的擴(kuò)散勢(shì)壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積。
相關(guān)研討提醒了金屬鋰負(fù)極形核和成長(zhǎng)規(guī)則，選用化學(xué)工程的手法有用調(diào)控離子輸運(yùn)和界面反響規(guī)則，提出親鋰位點(diǎn)定向形核、納米金剛石添加劑調(diào)控鋰堆積等戰(zhàn)略，有用地按捺了金屬鋰枝晶的成長(zhǎng)。現(xiàn)在，市售充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的能量密度大體在120-220 Wh/kg之間。根據(jù)該課題組開發(fā)的納米固態(tài)復(fù)合金屬鋰可用于開發(fā)能量密度為350-600 Wh/kg的高安全、高比能鋰金屬充電機(jī)充電蓄電池，提高充電機(jī)充電蓄電池體系的安全性和比能量，然后有望添加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航路程，延伸手機(jī)等消費(fèi)電子設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。
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