基于PDMS的高效穩定的金屬鋰負極保護層

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

基于PDMS的高效穩定的金屬鋰負極保護層

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京100871)

在過去的二十多年里，鋰離子電池由于其較高的能量密度等優點逐漸成為能源存儲市場中的主體之一，如今廣泛用于電子便攜設備(如手機、筆記本等)中。但隨著大家對于電子設備的要求提升以及電動汽車的快速發展，研究并開發更高性能的鋰電池材料顯得尤為關鍵。就負極而言，金屬鋰擁有相當高的理論容量(3860 mAh·g－1)，這相當于是現在商業化的鋰離子電池石墨負極的十倍，同時具有很低的密度(0.59 g·cm－3)和最低的電化學反應電位(相對標準氫電位－3.040 V)，這些良好的特性使得金屬鋰負極一直是研究的熱點同時也被認為是極具前景的鋰電池負極材料。然而，由于金屬鋰負極在電池循環過程中會逐漸生長出樹枝狀的鋰枝晶，增大了戳破隔膜的幾率從而引發短路進而導致起火等安全隱患；此外金屬鋰負極在循環中體積的無規則的巨大變化會降低電池效率，縮短循環壽命等這些問題成為了金屬鋰電池商業化道路上的巨大屏障1。

為了緩解這些問題，很多研究組提出了各種納米結構的保護層來提高金屬鋰的循環性能，經實驗證明其中一些保護層確實有效地抑制了枝晶鋰的生長且提高了其電化學性能，但是這些納米結構的復雜合成工藝使得控制難度大，規模化生產成本過高2－4；一些保護層所使用的材料還具有較高化學活性，難以與不斷發展的新型電解液匹配使用4。

基于此，南京大學朱嘉教授課題組首次提出了以常見的聚二甲基硅氧烷(PDMS)為原料，通過簡便的旋涂和酸處理工藝制備多孔的PDMS薄膜用于保護金屬鋰負極。因為PDMS本身并不是一種鋰離子導體，所以通過酸處理得到的納米孔洞給鋰離子提供了通道；同時PDMS導電性很差，所以鋰并不會沉積在其表面，而是沉積在PDMS下面，這樣PDMS就可以很好地充當保護層作用，抑制鋰枝晶的生長；此外由于PDMS的彈性模量很高，使得其在鋰循環過程中不容易被破壞，提高了循環壽命；最后PDMS具有極好的化學惰性，與各種電解液都不發生副反應，使得其可以與多種電解液兼容使用。電化學循環的測試結果表明，PDMS保護后的電極在普通的鋰離子電池電解液中，經過200次的循環庫侖效率一直穩定在95%左右，相對于此前報道的同種條件下的測試結果有～10%的效率提升；在新型的電解液中，效率可以穩定高至98.5%。

該工作不僅提出了一種具有成本優勢和提高鋰負極性能的新方案，而且為金屬鋰負極的規模化生產提供了新思路。此外，這種方法可以與不斷發展的新型電解液匹配使用，為未來更高性能的鋰電池體系發展提供了更多可能。該研究成果發表在最近的Advanced Materials雜志上5。

(1) Zhamu,A.;Chen,G.;Liu,C.;Neff,D.;Fang,Q.;Yu,Z.;Xiong, W.;Wang,Y.;Wang,X.;Jang,B.Z.Energy Environ.Sci.2012,5, 5701.doi:10.1039/c2ee02911a

(2) Wu,M.;Wen,Z.;Liu,Y.;Wang,X.;Huang,L.J.Power Sources 2011,196,8091.doi:10.1016/j.jpowsour.2011.05.035

(3) Zheng,G.;Lee,S.W.;Liang,Z.;Lee,H.W.;Yan,K.;Yao,H.; Wang,H.;Li,W.;Chu,S.;Cui,Y.Nat.Nanotechnol.2014,9, 618.doi:10.1038/NNANO.2014.152

(4) Li,N.W.;Yin,Y.X.;Yang,C.P.;Guo,Y.G.Adv.Mater.2016, 28,1853.doi:10.1002/adma.201504526

(5) Zhu,B.;Jin,Y.;Hu,X.Z.;Zheng,Q.H.;Zhang,S.;Wang,Q.J.; Zhu,J.Adv.Mater.2016,doi:10.1002/adma.201603755

10.3866/PKU.WHXB201610282