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高性能锂金属电池原位透射电镜研究进展

  厦门大学化学化工学院廖洪钢教授/孙世刚院士团队在高性能锂金属电池原位透射电镜研究中取得新进展。相关研究成果以“Efficient Diffusion of Superdense Lithium via Atomic Channel for Dendrite-Free Lithium-Metal Batteries”为题于2022年1月发表于Energy Environ. Sci.（DOI: 10.1039/D1EE02205A）。

作为商用锂离子电池的替代品，以锂金属作为负极的储能体系被认为是下一代高能量密度电池的有效解决方案。然而，由于锂枝晶生长造成的严重安全问题阻碍了其实际应用。与电子迁移相比，高活性的锂离子在负极侧的扩散速度较慢，且主要通过表面进行。锂离子在电极/电解质界面的不均匀、不可控聚集会导致明显的枝晶生长。锂离子在负极表面的扩散速度远快于体相扩散，因此，调节锂离子在负极表面的扩散通常被认为是诱导锂金属均匀沉积的主流方法，而其在负极体相中的扩散通常被忽略。

鉴于此，课题组采用密度泛函理论计算、第一性原理分子动力学模拟，结合原位TEM等表征手段系统地揭示了超致密锂在原子通道中的沉积/剥离行为。在高温下用氨处理的方法预隧穿石墨层（层间距约为~7 Å），同时引入孔隙和亲锂位点，构建了用于超致密锂输运的层间和层内原子通道（体扩散锂导体，BDLC）。首先，DFT计算和AIMD模拟研究了超致密锂在原子通道层间和层内的扩散行为。由于BDLC的高亲和性和较低的迁移势垒，与表面扩散相比，原子通道的体相扩散可成为锂输运的一个新的主导路径，具有较高的扩散动力学优势。采用原位透射电镜观察了超致密锂在BDLC中的高度可逆、无枝晶的沉积/剥离过程，并通过对质厚衬度和电子衍射的分析，进一步证明了超致密锂的存在形态。当与高于20 mg cm-2的高负载LiFePO4正极匹配时，面容量最高可以达到3.9 mA h cm-2（1.1倍锂过量），并在370次循环中实现100%的容量保持率（1.3倍锂过量）。该研究所论证的体相扩散策略提供了一个新视角，为抑制锂枝晶提供了新思路。

该研究工作由厦门大学廖洪钢教授（通讯作者）、孙世刚院士指导完成，2019级硕士生周诗远、2018级硕士生陈玮鑫、北京化工大学博士生施杰为共同第一作者。同时，该工作得到了厦门大学化学化工学院乔羽教授、黄令教授，美国阿贡国家实验室徐桂良研究员、Khalil Amine研究员，北京化工大学王丹教授、陈建峰院士，厦门大学材料学院王鸣生教授的有益指导。研究工作得到国家自然科学基金项目（91934303， 21673198）和国家重点研发计划（2016YFB0100202）等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D1EE02205A

来源：厦门大学