Angew.：多功能中间层设计抑制高能金属锂电池中的正极交叉

锂金属具有高比容量（3860 mAh g-1）和低电化学电位（-3.04 V vs. SHE），这使得锂金属电池（LMB）有望成为下一代高能量密度电池系统，从而推动电动汽车市场的发展。但是，LMB的正极材料存在明显的交叉穿梭问题。

具体而言，在电池循环过程中，层状过渡金属氧化物（例如富镍正极材料（Ni-rich NMC）, 富锂锰基正极材料（LMR））中多种过渡金属离子溶解析出并沉积于锂金属负极（LMA）表面，这将导致电池阻抗急剧增大。

此外，层状材料存在着氧析出问题，产生的氧气会与锂金属反应，引起安全问题。而当正极材料为硫时，其产生的多硫化物（LiPSs）则会迁移至负极，导致锂金属被污染并引起锂硫电池电化学性能的衰退。这些正极交叉穿梭问题普遍存在于LMB中却容易被忽略。

在此，香港理工大学陈国华教授、美国阿贡国家实验室Khalil Amine博士及徐桂良博士共同报导了一种具有丰富活性位点的多功能自支撑薄膜夹层（CoZn-YSIL），通过同时调控锂金属沉积/析出过程和抑制正极交叉穿梭问题来提高锂金属电池的稳定性。

其丰富的亲锂位点可降低锂金属沉积过电位并诱导形成稳定的SEI，从而可以在大电流下（10 mA cm^-2）调控锂金属沉积/析出过程并减少枝晶。此外，X射线光电子能谱和原位X射线实验结果显示，夹层的富N骨架和Co, Zn活性位点可有效抑制多种正极交叉穿梭，从而显著减少锂金属腐蚀。

电化学测试结果显示，基于多种高载量正极（例如LiNi_0.7Mn_0.2Co_0.1O₂, Li_1.2Co_0.1Mn_0.55Ni_0.15O₂和S）的锂金属电池循环稳定性被明显提高。

图1. 不同电解质中的电池性能

总之，该工作开发了一种具有亲锂性和多功能吸附能力的薄型（25微米）层间膜，通过调节锂金属沉积/脱出过程和抑制正极交叉穿梭，提高锂金属电池的循环稳定性。CoZn双活性位点的低锂成核过电位，结合富含N的核壳结构，可以有效提高锂金属沉积/脱出的稳定性。

更重要的是，CoZn-YSIL的强结合能力可以很好地解决严重的正极交叉穿梭问题，在与高能正极（如NMC、LMR和S）耦合时，防止Li与正极产生的可溶性副产物及O₂发生副反应。因此，在CoZn-YSIL的保护下，基于多种高能正极的LMB的循环稳定性均得到了明显改善。

此外，此工作还进行了一系列的相间研究以及原位HEXRD，以深入了解CoZn-YSIL稳定LMB的效果。因此，该工作强调了夹层结构设计对于解决正极交叉穿梭问题从而提高锂金属电池性能的重要性。

图2. Li||NMC电池和Li||S电池中循环后的锂金属负极的XRM图

Suppressing Universal Cathode Crossover in High-Energy Lithium Metal Batteries via a Versatile Interlayer Design，Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202217476

原创文章，作者：科研小搬砖，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/08/77970854df/

Angew.：多功能中间层设计抑制高能金属锂电池中的正极交叉

相关推荐

发表回复