“剛柔相濟”的復合膜對界面進行修飾后，可有效依附于金屬鋰表面，并抑制枝晶生長的示意圖

　　在國家自然科學基金面上項目、中國科協(xié)青年人才托舉工程和北京理工大學科技創(chuàng)新計劃的資助下，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦特別研究員課題組在下一代高能量密度金屬鋰電池中高安全性金屬鋰負極研究方面取得新進展。近期，相關研究成果以題為“Artificial soft–rigid protective layer for dendrite-free lithium metal anode”于2018年1月8日在線發(fā)表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials, 影響因子12.124）。論文第一作者為前沿交叉院研究生許睿，通訊作者為黃佳琦特別研究員。
 

　　金屬鋰憑借其極高的理論比容量（3860 mA h g−1）和最負的電極電位（−3.045 V vs. 標準氫電極）而被認為是最具有開發(fā)前景的高比能負極材料之一。但金屬鋰電極的實用化受到鋰枝晶生長和較低循環(huán)效率的限制。金屬鋰是一種高活潑性金屬，與電解液接觸時形成結構和組分復雜的固態(tài)電解質界面，在電化學反應過程中難以維持界面的穩(wěn)定。因此，界面處鋰離子的不均勻沉積易引發(fā)針狀、樹枝狀、苔蘚狀的鋰沉積。鋰枝晶的生長一方面會刺破隔膜，與正極接觸引發(fā)電池短路，造成安全隱患；另一方面也增大了金屬鋰與電解液的接觸面積，使得副反應增多，電池的循環(huán)效率進一步下降。

 

　　為了構建穩(wěn)定的金屬鋰/電解液界面，調控鋰的均勻沉積，該課題組提出以無機LiF為剛性組分，以PVDF-HFP聚合物為柔性組分來構建“剛柔相濟”的復合膜，以在電化學循環(huán)過程中穩(wěn)定金屬鋰與電解液的界面。其中，柔性聚合物提供的柔性和可伸縮性可承受金屬鋰電極沉積/溶解過程中的界面波動，而剛性組分的引入可進一步提升修飾層的機械模量，從而抑制鋰枝晶生長，實現(xiàn)鋰的均勻沉積。將這種同時具有好的形變性能、高的機械模量和離子導率的界面修飾層引入到紐扣電池中后，Li-Cu半電池、Li-Li對稱電池的循環(huán)壽命以及循環(huán)穩(wěn)定性都顯著提升；與磷酸鐵鋰正極匹配的全電池測試中，復合層修飾后的電池循環(huán)壽命提升了2.5倍。
 

 

Li-Cu半電池和Li-LFP全電池循環(huán)測試結果及相關鋰沉積形貌差異
 

　　黃佳琦特別研究員于2016年9月加入北理工前沿交叉科學研究院并組建課題組開展研究工作。長期從事納米材料的可控制備及其在儲能體系中的應用研究，先后在Adv Mater, Energy Environ Sci, ACS Nano等期刊發(fā)表SCI論文100余篇，發(fā)表論文總他引6000余次，其中23篇為ESI高被引論文。入職一年多來，先后獲批承擔國家自然科學基金面上項目和入選北京理工大學科技創(chuàng)新計劃（國家優(yōu)青培育項目）以及在中國科協(xié)青年人才托舉工程資助下，主要開展下一代儲能器件中關鍵納米能源材料相關研究，以第一作者/通訊作者身份，在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Science Bulletin等期刊發(fā)表一系列研究工作，并于2016年11月獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎。