纳米碳基界面层对金属锂负极表面锂离子传质的调控机制

High-energy secondary batteries based on lithium metal anodes (LMA) are expected to be the next-generation energy storage systems for electric vehicles, portable electronic devices and so on. The practical application of lithium metal batteries(LMBs) is impeded by potential safety hazard caused by Li dendrite growth. In micro/nano scale view, Li dendrite growth is caused by the uneven distribution of electrons and Li-ion on the electrode surface. Under "tip effect", Li-ions will deposit on the protuberance of the electrode surface preferentially, thus forming lithium dendrite. Therefore, how to eliminate or weaken the "tip effect" is the key to homogeneous Li-ions transfer.. This project proposes to use nano carbon materials as the interfacial layer for homogenizing the Li-ion transfer on the surface of LMA. Investigating the controllable preparation of nano carbon-based interface layer and the regulation of Li-ions transfer on the surface of LMA, and revealing the regulation mechanism of pore structures and surface properties of carbon-based interfacial layer on the Li-ion transfer. On this basis, designing lithiophilic carbon-based interfacical layer with proper pore structure. Homogenizing the Li-ion transfer by carbon-based interfacical layer, and eliminating or weakening the uneven mass transfer caused by the "tip effect", thus to realize the uniform Li deposition. This project is expected to provide new routes for the development of high safety and high performance LMA.

基于金属锂负极的高比能二次电池有望成为电动汽车、便携式电子设备等领域的下一代储能电池。目前，金属锂负极的实用化仍面临枝晶生长引起的安全问题。微观上，锂枝晶的形成是电子和锂离子在电极表面的不均匀分布造成的。受“尖端效应”的影响，锂离子会自发地传输至电极的突出部位进行沉积，进而形成锂枝晶。因此，如何消除或弱化“尖端效应”是均化锂负极表面锂离子传质的关键。. 本课题提出采用纳米碳基界面层均化锂负极表面锂离子传质的思路，围绕纳米碳基界面层的可控制备及其对锂离子传质的调控机制开展研究，揭示纳米碳基界面层孔道结构、表面性质对锂离子传质的作用规律，据此设计具有亲锂表面、合理孔结构的纳米碳基界面层，以期通过纳米碳基界面层对锂离子传质的均化作用，消除或弱化“尖端效应”所引起的不均匀传质，从而实现锂的均匀沉积。课题研究有望在基础以及应用方面为发展高安全、高性能金属锂负极提供新思路。

基于金属锂负极的电池体系实际能量密度可达~500 Wh/kg，是当前极具应用前景的下一代高比能电池体系。然而金属锂与电解液之间的高反应活性以及循环过程中巨大的体积变化使得金属锂与电解液之间难以形成稳定的界面（SEI），导致锂枝晶生长以及低库伦效率。因此，构建稳定的SEI是提高电池循环寿命及安全性能的关键。本研究通过人工界面层及原位SEI的设计，调控锂离子传质过程以实现锂的均匀沉积，进而提高金属锂负极的循环稳定性。.具体开展了以下三方面的工作：.1. 针对锂负极表面锂离子传质不均匀的问题，设计了一种三明治结构Li/C复合金属锂负极。纳米碳基界面层不仅为锂的沉积提供丰富的形核位点，同时还能调控锂离子的均匀传质，从而实现锂的均匀沉积。所得三明治结构复合金属锂负极在Li|LiFePO4和Li|S电池中均表现出良好的循环性能。此外，所设计辊压法可实现人工界面层的大面积高效转移，有利于连续化大规模生产。.2. 针对金属锂负极巨大的体积变化以及高反应活性，构建了一种新型的房屋架构的复合金属锂负极（housed Li）。上层的人工SEI层可使电解液中的锂离子快速均匀的传导，助力锂的均匀沉积；下层的含锂碳纤维骨架可提供电子通道与沉积空间，消除体积膨胀。将housed Li应用于LiFePO4全电池中，可大幅提高金属锂电池的循环性能。.3. 针对实用锂金属电池所需苛刻条件，通过结合氟代共溶剂与缓释硝酸锂的策略，在金属锂表面构建一层可持续氟氮界面（FN-SEI）。氟代溶剂与缓释硝酸锂策略能为FN-SEI的形成持续提供氟源和氮源。FN-SEI中的大量异质晶界有利于锂离子的均匀快速传输。FN-SEI保护下的高比能Li|NCM523软包电池（3.5 Ah，340 Wh kg-1）可稳定循环60圈。.基于本项目的研究成果，在Nano Research，Angew. Chem. Int. Ed.，J. Energy Chem.等国内外期刊上发表SCI论文5篇，申请授权专利1项。受邀Joule期刊撰写题为“高电压锂金属电池中的氟化界面”综述一篇，受到广泛关注。