多孔骨架内稳定锂负极界面的构筑及其对高比能锂电池库伦效率的影响

Lithium metal is promising as the anode material for high-energy-density lithium metal batteries. However, dendrite and low Coulombic efficiency constraint the usage of lithium metal. This project focuses on the construction of a stable lithium electrode interface on the porous frameworks. The porous frameworks will be modified by the organic composite coating, and the chemical reaction between molten lithium and the composite coating is regulated to realize the preparation of ultrathin lithium. Also, the reaction between additive molecules (in the composite coating) and lithium metal will be controlled, and the SEI enriched with Li3N/LiF and LiNxOy/LiF composite interface will be introduced to construct the stable lithium metal anode interface. The Coulombic efficiency and cycle stability of lithium metal batteries are improved. The project mainly focuses on the chemical reaction mechanism of molten lithium and different composite coatings, the electronic orbital changes caused by the electron implantation or removal between additive molecules and lithium metal in the composite coatings, and the evolution of chemical bonds on the interface. The effect of the composite interface on lithium ion transport is analyzed theoretically. In this project, a new strategy to improve the wettability of molten lithium and the porous skeleton is proposed, and a stable composite interface is introduced on the surface of porous lithium skeleton, which has important theoretical value and broad industrial application prospects.

金属锂有望成为高能量密度锂电池负极材料，但面临枝晶及库伦效率低等问题的制约。本项目围绕构筑多孔骨架上稳定的锂电极界面展开，在多孔骨架上修饰有机复合涂层，调控熔融锂和复合涂层间的化学反应以实现超薄锂的制备，控制复合涂层中的添加剂分子与金属锂反应，引入富含Li3N/LiF、LiNxOy/LiF复合界面的SEI膜，构建稳定的锂负极界面，从根本上提高锂金属电池的库伦效率和循环稳定性。项目重点研究熔融锂和不同复合涂层的化学反应及机制、复合涂层中添加剂分子与金属锂之间电子注入或脱出导致的电子轨道变化、界面上化学键的成分演变，从理论角度分析复合界面对锂离子传输的影响。本研究提出改善熔融锂与多孔骨架之间润湿性的新策略，并在多孔骨架上的锂表面引入稳定的复合界面，具有重要的理论价值和广阔的工业应用前景。

金属锂电池有望成为高能量密度储能电池体系，但面临锂枝晶、库伦效率低等问题。本项目围绕锂金属负极稳定界面的构建展开了系列工作：首先，利用三氟甲烷磺酸锌溶液和锂的反应在锂表面原位构建了一层含有氟化锂、锌、锂锌合金、-CF3的有机无机保护层，该保护层可以有效促进锂在空气中稳定性，诱导锂在循环中均匀沉积与剥离，同时残留的锌离子会在锂循环中促进电解液1,3-二氧环戊烷聚合，进一步加强固体电解质界面（SEI）的稳定性。该有机无机复合涂层的设计实现了兼具循环稳定性和耐空气稳定性的锂金属负极，锂对称电池在1M LiTFSI/DOL/DME（1:1 V/V）无任何添加剂的电解液中以2 mA cm-2稳定循环超过350小时，并且在负载质量为10 mg cm-2的LiFePO4基全电池中稳定循环超过300次。更重要的是，设计的锂电池在空气中暴露90分钟后，对称电池可以在0.5 mA cm-2下循环超过900小时；在空气中暴露4小时后，对称电池仍在0.5 mA cm-2下循环600小时；其次，通过Mg单原子锚定还原氧化石墨烯抑制了锂金属SEI中碳酸锂的形成，促进SEI中氟化锂组分的形成，使锂金属循环中的沉积/剥离更加均匀和可逆，制备的复合负极在对称电池中实现250次稳定循环，在全电池中实现70次循环；最后，通过亲锂性的银、锌、氮引入到三维碳集流体骨架，显著改善了碳集流体对熔融锂的浸润性，使熔融锂成功灌入三维多孔碳骨架内形成复合锂负极。基于三维多孔集流体的复合锂负极降低了电极的局部电流密度，形成的Li3N/LiF、LiNxOy/LiF 复合SEI界面提高了负极抑制枝晶的能力，提高了电池的库伦效率，促使金属锂在循环过程中具有优异的稳定性。基于三维多孔骨架的复合锂负极有望作为高比能锂电池中的负极进行产业化应用。项目共发表论文10篇。