脈沖充電提高鋰金屬電池穩定性的關鍵分子機理

韓布興

(a)脈沖和直流充電波形示意圖；(b) LiTFSI-PC分子動力學模擬體系快照及示意圖；(c)分子動力學模擬得到的Li+ 在不同脈沖比電場下在PC溶劑中的擴散系數；(d)鋰金屬電池在不同脈沖比下的電池壽命

鋰離子電池目前已廣泛應用于可便攜電子設備、無人機和電動汽車等領域1，但其石墨負極較低的能量密度制約了鋰離子電池的進一步發展2。開發高能量密度的負極材料開發是解決當前鋰離子電池能量密度低的關鍵。在所有的負極材料中，金屬鋰由于其高能量密度和低還原電勢，展現出良好的應用前景3。然而鋰金屬負極在充放電過程中由于鋰枝晶生長造成的循環穩定性差和安全性差等問題制約其實際應用4。絕大多數學者采用修飾電極材料，改善電解液等途徑抑制鋰枝晶生長5,6。近年來，人們發現脈沖電流用于鋰離子電池的充電過程中可以穩定電池容量、降低電池阻抗和穩定電池溫度。但是，關于將脈沖電流用于鋰金屬電池中報道相對較少，對于脈沖充電過程的微觀機理認識也較為匱乏7。

最近，浙江大學化學工程與生物工程學院陸盈盈研究員課題組和何奕副教授課題組聯合設計出一種采用特定脈沖電流為鋰金屬電池充電的方法，顯著抑制了鋰金屬負極在充電過程中枝晶的生長，大幅延長了鋰金屬電池的壽命。與直流充電相比，采用特定脈沖充電的實驗電池壽命可以增加一倍以上。作者對脈沖充電過程涉及的分子機理進行了探討?；?OPLS-AA (optimized potentials for liquid simulations-all atoms)力場8的全原子分子動力學模擬結果表明，脈沖充電頻率和幅值可有效調控的鋰離子溶劑化結構特性，進而顯著影響鋰離子的擴散。掃描電鏡(SEM)結果則顯示，相較于直流充電，脈沖充電極大改善了鋰離子在電極表面的沉積，降低了鋰枝晶生長的可能性。該研究還表明，最優脈沖比和脈沖延續時間(Ton)均為調控脈沖充電過程的關鍵參數，它們的取值與鋰離子在電解質中的溶劑化結構有關，主要由電解質本身性質決定。Ton一定，延長脈沖間隙時間(Toff)并不一定能相應提高電池壽命。

該研究成果近期已在 Science Adνances上在線發表9。該工作揭示了脈沖特征、鋰離子擴散、鋰枝晶生長這三者間存在的內在聯系，深化了對脈沖充電過程分子機理的認識，提供了抑制鋰枝晶生長研究的新視角，同時也為設計開發新型電解質溶液開啟了新思路。

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