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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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青島能源所開發(fā)出利用誘導沉積制備薄層無枝晶金屬鋰負極新方法

2021-10-19 青島生物能源與過程研究所

【字體：大中小】

語音播報

　　隨著智能手機、電動汽車等產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對兼具高能量密度、高安全性的二次儲能電池的需求日益增長。近年來，在各類電池材料體系中，金屬鋰具有高理論容量（3860mAh g^-1）、低氧化還原電勢（-3.04V vs. 標準氫電極）、低密度（0.59 g cm^-3）等優(yōu)勢，成為儲能研究領(lǐng)域的前沿課題。然而，金屬鋰負極在充放電過程中，易與電解液發(fā)生各種副反應形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），且伴隨電極界面鋰的不規(guī)則沉積導致形成針狀或樹枝狀的鋰枝晶。鋰枝晶的形成和生長會給電池體系帶來不可逆的容量損失，甚至可能會穿過隔膜而導致電池正負極內(nèi)部短路引起過熱、自燃等安全隱患。如何更好地調(diào)控金屬鋰在電化學沉積界面的成核以及沉積行為、抑制電化學反應過程中鋰枝晶生長是實現(xiàn)金屬鋰負極在高能量密度二次電池，包括鋰金屬固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空電池能否實現(xiàn)實際應用的關(guān)鍵。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應用研究組利用富碳結(jié)構(gòu)石墨炔分子中大量分布的活性炔鍵以及微納孔結(jié)構(gòu)等獨特性質(zhì)，將石墨炔及其衍生物應用于金屬負極保護，取得了系列創(chuàng)新性研究成果：石墨炔在金屬鋁負極表面可以有效降低鋁鋰合金的沉積電位，抑制鋰在鋁負極界面的快速無序沉積，緩解電化學反應過程中鋁負極的粉化失效；運用三維結(jié)構(gòu)石墨炔碳骨架的親鋰性和導電性，可以在銅集流體表面實現(xiàn)穩(wěn)定的、無枝晶的金屬鋰沉積（ACS Applied Energy Materials、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbon、ACS Applied Materials & Interfaces）。

　　在上述研究基礎(chǔ)上，該研究組進一步運用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，將具有較大電負性和親鋰作用的含硫噻吩官能團與炔鍵相連，報道了一種利用誘導沉積的方法直接在集流體表面實現(xiàn)可控制備薄層海藻狀金屬鋰負極以提高鋰金屬電池循環(huán)穩(wěn)定性的方法。研究將具有較大電負性和親鋰作用的含硫噻吩官能團與炔鍵相連，實現(xiàn)噻吩炔表面鋰金屬的均勻成核和生長，并形成由單個金屬鋰棒生成的海藻狀金屬鋰薄層。研究通過理論計算明確噻吩炔中均勻分布的硫原子與炔鍵形成的協(xié)同效應增強鋰與成核活性位點之間的相互作用，優(yōu)化整個碳骨架區(qū)對于鋰的均勻吸附能力，利用硫原子調(diào)控電荷在鋰與噻吩炔界面的轉(zhuǎn)移與傳輸性能，降低鋰的成核過電勢從而誘導鋰均勻成核。結(jié)果表明，海藻狀薄層金屬鋰與銅箔上直接沉積的塊狀金屬鋰相比，體現(xiàn)出較低的成核過電勢與界面阻抗，并在對稱金屬鋰電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。由海藻狀鋰金屬負極和Li₄Ti₅O₁₂作為正極組裝的全電池在1000多個循環(huán)中具有優(yōu)異的容量保持率。

　　該研究為制備具有特定形貌的薄層鋰金屬負極提供了簡便而可控的策略，有助于加深對金屬鋰沉積機理的認識，并有望推動金屬鋰在無負極金屬鋰電池等高能量密度電池中的應用。近日，相關(guān)研究成果以Self‐Regulation Seaweed‐Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院重點部署項目等的支持。

　　論文鏈接

基于誘導沉積的方法可控制備薄層金屬鋰負極

　　隨著智能手機、電動汽車等產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對兼具高能量密度、高安全性的二次儲能電池的需求日益增長。近年來，在各類電池材料體系中，金屬鋰具有高理論容量（3860mAh g-1）、低氧化還原電勢（-3.04V vs. 標準氫電極）、低密度（0.59 g cm-3）等優(yōu)勢，成為儲能研究領(lǐng)域的前沿課題。然而，金屬鋰負極在充放電過程中，易與電解液發(fā)生各種副反應形成不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），且伴隨電極界面鋰的不規(guī)則沉積導致形成針狀或樹枝狀的鋰枝晶。鋰枝晶的形成和生長會給電池體系帶來不可逆的容量損失，甚至可能會穿過隔膜而導致電池正負極內(nèi)部短路引起過熱、自燃等安全隱患。如何更好地調(diào)控金屬鋰在電化學沉積界面的成核以及沉積行為、抑制電化學反應過程中鋰枝晶生長是實現(xiàn)金屬鋰負極在高能量密度二次電池，包括鋰金屬固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空電池能否實現(xiàn)實際應用的關(guān)鍵。
　　中國科學院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應用研究組利用富碳結(jié)構(gòu)石墨炔分子中大量分布的活性炔鍵以及微納孔結(jié)構(gòu)等獨特性質(zhì)，將石墨炔及其衍生物應用于金屬負極保護，取得了系列創(chuàng)新性研究成果：石墨炔在金屬鋁負極表面可以有效降低鋁鋰合金的沉積電位，抑制鋰在鋁負極界面的快速無序沉積，緩解電化學反應過程中鋁負極的粉化失效；運用三維結(jié)構(gòu)石墨炔碳骨架的親鋰性和導電性，可以在銅集流體表面實現(xiàn)穩(wěn)定的、無枝晶的金屬鋰沉積（ACS Applied Energy Materials、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbon、ACS Applied Materials & Interfaces）。
　　在上述研究基礎(chǔ)上，該研究組進一步運用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，將具有較大電負性和親鋰作用的含硫噻吩官能團與炔鍵相連，報道了一種利用誘導沉積的方法直接在集流體表面實現(xiàn)可控制備薄層海藻狀金屬鋰負極以提高鋰金屬電池循環(huán)穩(wěn)定性的方法。研究將具有較大電負性和親鋰作用的含硫噻吩官能團與炔鍵相連，實現(xiàn)噻吩炔表面鋰金屬的均勻成核和生長，并形成由單個金屬鋰棒生成的海藻狀金屬鋰薄層。研究通過理論計算明確噻吩炔中均勻分布的硫原子與炔鍵形成的協(xié)同效應增強鋰與成核活性位點之間的相互作用，優(yōu)化整個碳骨架區(qū)對于鋰的均勻吸附能力，利用硫原子調(diào)控電荷在鋰與噻吩炔界面的轉(zhuǎn)移與傳輸性能，降低鋰的成核過電勢從而誘導鋰均勻成核。結(jié)果表明，海藻狀薄層金屬鋰與銅箔上直接沉積的塊狀金屬鋰相比，體現(xiàn)出較低的成核過電勢與界面阻抗，并在對稱金屬鋰電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。由海藻狀鋰金屬負極和Li4Ti5O12作為正極組裝的全電池在1000多個循環(huán)中具有優(yōu)異的容量保持率。
　　該研究為制備具有特定形貌的薄層鋰金屬負極提供了簡便而可控的策略，有助于加深對金屬鋰沉積機理的認識，并有望推動金屬鋰在無負極金屬鋰電池等高能量密度電池中的應用。近日，相關(guān)研究成果以Self‐Regulation Seaweed‐Like Lithium Metal Anode Enables Stable Cycle Life of Lithium Battery為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院重點部署項目等的支持。
　　論文鏈接
　　基于誘導沉積的方法可控制備薄層金屬鋰負極
　　

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