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中国科大团队制备出高性能硅藻土复合固态锂电阳极(负极)
2019年06月11日 发布 分类:技术前沿 点击量:117
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中国科技大学姚宏斌课题组和俞书宏教授领导的研究团队,受硅藻土具有的多级结构特征的启发,以天然硅藻土为模板成功制备了结构稳固、无枝晶生长的多级结构锂金属固态复合负极,基于该锂金属复合负极构筑的固态锂金属电池表现出优异的电化学性能。研究成果6月6日发表于《自然·通讯》上。

锂金属基阳极具有分层结构,能够实现高速率、体积变化调节和树枝状抑制,是所有固态锂金属电池的理想选择。然而,由于锂的挥发性,分层锂金属基阳极的制备具有挑战性。

a)硅藻土模板衍生的多级结构固态锂金属复合负极的制备过程示意图。(b)多级结构固态锂金属复合负极的锂沉积/脱出示意图。(c)平板锂箔负极的的锂沉积/脱出示意图。

通过对自然界中各种层次结构材料的筛选,研发人员发现硅藻土是一种理想的层次结构骨架材料,能够满足制备层次锂复合阳极的要求。首先,天然丰富的硅藻土成本低,其独特的层次结构和极高的孔隙率对锂的适应能力有吸引力。其次,通过简单的镁还原处理,硅藻土独特的层次结构完全可以衍生到已获得的硅框架中。第三,分层硅框架的高锂亲电性有助于锂化过程产生一个刚性的锂硅框架来加载锂金属内部,形成独特的锂硅化物-锂混合阳极。

科研人员首先通过镁热还原法将天然的硅藻土转化为具有多级孔道结构的硅框架。随后,将该多级结构硅框架与熔融态的锂金属混合并充分搅拌反应制得锂-硅复合粉体。然后,采用聚环氧乙烷基聚合物固态电解质(PEO-SPE)对锂-硅粉体进行表面修饰。最后,通过冷压工艺将上述粉体在模具中压制成具有多级结构的复合锂金属负极。在复合锂金属负极中,锂金属是嵌在 修饰的框架的孔道结构之中,从而提升了其与电解质的接触面积,有利于得到更均匀的锂离子流,保持了电极结构的完整性。

实验结果表明,以PEO-SPE作为固态电解质,PEO-DLSL对称电池在锂脱出/沉积测试中可稳定性循环超过1000小时,极化电压可保持在100毫伏以下。从天然硅藻土衍生而来的PEO-DLSL复合阳极的分层结构有助于电极和固态电解质之间的紧密接触,提供高锂离子导电通道,这对于调节电池循环过程中的界面波动至关重要。这种分层锂复合阳极有望制备出一种高能量/高功率密度的安全固态锂金属电池。

YUXI 编译


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