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孙学良课题组Angew:分子层沉积Zircone作为高度稳定的锂金属界面膜
发布:Iron_MAN10   时间:2019/9/11 9:17:39   阅读:70 
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【全文速览】

本文报道了一种新型的分子层沉积薄膜-“zircone”作为高度稳定、长循环寿命的锂金负极保护膜。“zircone”-保护过的金属锂,在对称电池和锂空气电池中展现出优异的循环性能。同时,首次采用原位的X射线吸收谱来研究锂金属表面SEI成分的变化。

【背景介绍】

锂离子电池由于其高能量密度,无记忆效应及极小自放电现象成为了最成功的储能器件之一,被广泛的应用于便携型电子设备以及电动汽车中。然而,随着人们日益增长的需求,现有的锂离子电池已经难以满足人们对更高容量,长寿命电池的需要。锂金属电池,包括锂硫电池,锂空气电池,全固态锂金属电池,作为下一代电池的有力竞争者,受到了越来越广泛的关注。其中,锂金属被认为是最理想的负极材料,其具有比容量极高,电势低及质量轻等优势。然而,在反复的电化学沉积和剥离的过程中,锂金属表面极易产生枝晶,枝晶可能进一步刺穿隔膜,造成电池短路,引发安全问题。其次,金属锂会与液态电解液发生副反应,形成不稳定的固液电解质界面层(SEI),从而加剧枝晶的生长以及形成死锂层,降低电池的库伦效率和寿命。因此,制备稳定的人工SEI层被认为是减少副反应,减缓枝晶生长,提高金属锂负极性能的关键因素之一。

【本文亮点】

本文采用先进的分子层沉积技术(MLD)制备了一种新型的Zr-基薄膜(zircone)。其作为锂金属负极的保护膜,可以有效地提高锂金属负极的循环稳定性。同时,首次采用原位的X射线吸收谱来研究锂金属表面SEI成分的变化。

【图文解析】
 

图1 (A) MLD zircone的结构图;(B, D)zircone膜的TOF-SIMS深度分布图;(C)zircone保护的Li的空气稳定性测试

图1展示了MLD zircone薄膜的结构图,其是由Zr为金属中心,与有机链EG相链接组成的有机无机杂化薄膜。从TOF-SIMS图中可以看出该zircone薄膜的化学组成。同时,zircone薄膜可以有效地提高金属Li的空气稳定性。
 

图2 (A,B)zircone-Li和纯Li的对称电池性能图。(C,D)zircone-Li和纯Li的阻抗图谱。

图2是zircone-Li和纯Li的电化学性能图。从对称电池的性能图中可以看出,在不同的电流密度下(3 mA cm-2和5 mA cm-2),zircone-Li都展现出显著提高的循环稳定性。同时,从阻抗图中也可以看出,zircone-Li具有更小且稳定的界面电阻。
 

图3 zircone-Li和纯Li的循环后扫描电镜图。

锂沉积的形貌是锂沉积行为的重要表现方式。图3展示了zircone-Li和纯Li的循环后扫描电镜图。从图中可以看出,纯Li片在循环后,表面出现大量裂纹,这是由于Li枝晶生长与死Li层形成所造成的。然后,zircone-Li在循环后,其表面相对更平滑,且死Li层更薄。这说明,MLD zircone可以有效地抑制Li枝晶的生长。
 

图4 zircone-Li在首次锂化过程中的原位X射线吸收谱

我们首次采用了原位X射线吸收谱来研究zircone在首次锂化过程中的变化。图4是原位Zr K-edge XANES谱图。从图中可以看出,zircone薄膜在连续的Li沉积过程中,逐渐被锂化,形成了类似LiZrOx的结构。
 

图5 (A,B)zircone-Li和纯Li的Li-O2电池性能图。

为了展现zircone-Li的优异性能,我们进一步将zircone-Li用在了Li-O2电池中。从图中可以看出,MLD zircone薄膜使得Li-O2的循环性能有了近10倍的提高。

【总结与展望】

我们通过先进的分子层沉积技术制备了Zr-基薄膜(zircone)作为锂金属负极的保护膜。Zircone可以有效地提高金属Li负极的循环稳定性和空气稳定性。这使得,zircone-Li在Li-O2电池中表现出优异的循环性能,比纯Li片的循环性能高出10倍。同时,我们首次使用了原位X射线吸收谱来研究zircone薄膜的锂化过程以及SEI成分变化。这为未来深入研究SEI组成提供了重要的参考和指导。zircone-Li也有望作为稳定的下一代锂金属电池负极材料。


来源:材料牛
 
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