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西北工业大学NanoLetters:多孔介质中锂枝晶生长抑制机理

 


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本文摘要:章节金属锂因其超高的理论比容量(3860mAhg-1)和超低的电位(-3.040Vvs.SHE)被指出是下一代高比能金属锂电池负极材料的最佳自由选择。

章节金属锂因其超高的理论比容量(3860mAhg-1)和超低的电位(-3.040Vvs.SHE)被指出是下一代高比能金属锂电池负极材料的最佳自由选择。然而,其充放电过程中不高效率的锂枝晶生长以及由此引发的循环稳定性劣、库伦效率较低和安全隐患高等系列问题,相当严重制约金属锂电池的商业化进程。

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在众多解决方案之中,利用具备微纳孔隙的多孔介质(如无机固态电解质、涂覆隔膜、多孔中间层等)来诱导电沉积过程中的枝晶生长被指出是最简单有效地的。然而,适当实验结果背后的共性基础问题仍未引发注目,因此无法彻底解决问题枝晶生长问题。

成果概述近日,西北工业大学纳米能源材料研究中心魏秉庆教授、谢科予教授研究团队在纳米材料领域权威期刊NanoLetters上公开发表了为题“SuppressingDendriticLithiumFormationUsingPorousMediainLithiumMetalBasedBatteries”的论文。他们通过理论计算出来证明了多孔介质的交错孔隙是构建非树枝状Li生长的关键。

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一方面,交错的孔隙大大减少了Li+向负极移动的局部离子流量;另一方面,它们有效地伸延了枝晶生长的物理路径。基于这一理论探寻,制备了一种新型多孔α-Si3N4亚微米线膜,将其覆盖面积在传统负极集流体铜箔表面,可以构建锂金属的均匀分布沉积。

将多孔α-Si3N4亚微米线膜应用于Li|Li平面电池体系,获得了出色的循环稳定性,电池可以倒数运营多达3000小时而没任何短路迹象。这一研究融合理论计算出来与实验结果,阐述了金属锂电沉积过程中多孔介质内部局部离子流量和孔道结构对锂枝晶诱导效果的起到规律,说明了了多孔介质中锂枝晶诱导的普适原理,为研究研发更加安全性、更加轻巧的新一代金属电池(Li,Na,K,Al等电池)获取了理论指导。


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