清华大学张强教授电纺骨架助力金属锂电池

　　金属锂由于其自身较高的比容量（3860 mAh/g）和极低的电极电势（−3.04 V vs.标准氢电极电势），因此其被认为是目前高能量密度电池中最有前途的负极材料。但在实际的应用中，金属锂负极不可控的枝晶生长、体积膨胀所带来的安全问题严重的限制了金属锂电池的实用化，因此开发金属锂保护策略十分重要。
　　近期，清华大学化工系 张强教授 以及北京理工大学前沿交叉学院黄佳琦教授（共同通讯作者） ，在Journal of Energy Chemistry期刊上发表题为＂Polar interaction of polymer host–solvent enables stable solid electrolyte interphase in composite lithium metal anodes＂ 的研究性论文。文章中以北京永康乐业ET-2535H静电纺丝机 制备的具有强极性的电纺聚丙烯腈（ELPAN）作为骨架材料，采用环状氟代碳酸乙烯酯（FEC）作为电解液的溶剂之一，由于氰基与羰基之间的偶极-偶极作用，FEC聚集在骨架周围，FEC在金属锂表面分解，形成一层富含氟化锂（LiF）的SEI。文章的第一作者为清华大学博士生石鹏和刘泽宇。
　　该工作尝试理解了金属锂/三维骨架/电解液复杂的三相界面上的相互作用机制，并给首次提出通过骨架与电解液中溶剂的相互作用构筑稳定的SEI，并将该方案应用于实用化的条件中进行评测，且本工作所提出的方法策略具有普适性。
　　上图表示出三维骨架与电解液的相互作用，其中FEC分子与PAN骨架之间具有较强的偶极-偶极相互作用，使得FEC分子富集在骨架表面，使锂金属上形成富含LiF的SEI，从而实现均匀的Li沉积。而反观弱极性骨架对电解液中的溶剂分子没有任何选择性，因此，不能形成有利于金属锂沉积脱出的SEI。
　　从上图可以看出，金属锂可以通过机械辊压的作用压到骨架材料的孔结构内部，从FIB-SEM的截面图上看，金属锂的表面与骨架的纤维表面紧密相接，即如果FEC分子在骨架表面上聚集，溶剂分子会很容易转移到金属锂的表面进而反应形成SEI。经过DFT计算定量描述了不同骨架和溶剂分子间的相互作用，PAN和FEC之间相互作用是其和DMC分子之间相互作用的2倍以上。
　　从上图可以看出，采用ELPAN的骨架的金属锂表面的SEI中富含LiF，但是采用ELPS的负极表面形成SEI中LiF较低。说明在Li/ELPAN中，FEC分子的分解较多，从SEM中可以看出，具有LiF较多的SEI金属锂负极表面锂沉积的行为更加均匀。
　　从图中可以看出，Li/ELPAN 复合负极可以在全电池中可以实现优异的性能，在实用化条件下可以稳定循环145圈以上。此外，该复合负极也被应用在软包电池中，1 Ah的软包电池可以稳定循环60圈以上，同时保持80%以上容量保持率。
　　【总结展望】
　　本文提出了利用骨架材料与溶剂分子之间的极性相互作用，可在复合锂负极内部锂表面提供稳定且均匀的SEI。 ELPAN的氰基官能团和FEC的羰基官能团之间有很强的偶极-偶极相互作用。因此，FEC分子倾向于在ELPAN附近富集，然后在Li表面分解形成富含LiF的SEI。该SEI增强了Li沉积的均匀性，并进一步延迟了电解质的消耗和死锂的积累。这项工作揭示了骨架和溶剂分子之间相互作用，提出了构建SEI新的方法，为设计实用的复合锂负极提供了新的指导。
　　【团队简介】
　　通讯作者
　　张强 ，清华大学长聘教授、博士生导师。2011年加入清华大学从事教学科研工作至今。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、教育部青年科学奖、北京青年五四奖章、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、清华大学刘冰奖。张强教授课题组致力于能源材料化学/化工领域研究。该研究团队深入探索锂硫电池这类依靠多电子化学输出能量的化学电源的原理，提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂配合物概念，并根据高能电池需求，研制出固态电解质界面膜保护的锂负极及碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。针对锂金属负极，提出了亲锂化学，通过先进手段研究固态电解质膜，通过引入纳米骨架、表面修饰保护层等方法调控金属锂的沉积行为，实现金属锂电池的高效安全利用。这些相关研究工作先后发表在《先进材料》《美国化学会会志》《德国应用化学》《能源存储材料》《化学》《焦耳》《自然通讯》《美国科学院院报》等知名期刊上。该研究团队在锂硫电池、金属锂负极领域也申请了一系列中国发明专利和PCT专利。
　　文章来源：北京永康乐业公司 http://www.biofabrication.cn/
　　文章链接：http://www.biofabrication.cn/peixunzhinan3_tal/1345.html