基于多个功能层中空管阵列骨架复合金属锂负极的构筑和长效循环性能研究

Lithium metal anode has the advantage of high theoretical capacity, low density and low potential. It has been considered as the best anode for next generation of high energy storage batteries. However, there are three main difficulties hindering its wide application, these are, lithium dendrites growth causing by uneven lithium deposition, volume effect in deposition/stripping process leading to capacity degradation, and high reactivity between lithium metal and electrolyte reducing coulombic efficiency and cycle life. To address above problems, we propose the design of a 3D hollow tube array matrix for lithium metal anode consisting of protective layer/lithiophobic layer/lithiophilic layer. Under the effect of lithiophobic layer, the lithiophilic layer will guide lithium ion predominantly deposit inside the hollow tubes to alleviate dendrite problem and inhibit the volume change. Meanwhile, the outer protective layer can effectively prevent contact between electrolyte and lithium, but allow lithium ion enter the hollow structure to improve coulombic efficiency. By the construction of lithium anode, we can study the electrodeposition behavior under different electric field regulation, explore the regulatory effects of framework and composition of protective layer, and disclose the relationship between the mechanism of different functional layers and crystal growth process of lithium metal. The success of the proposed research can provide the scientific reference and build a strong foundation for the reasonable construction and improvement lithium metal anode.

锂金属负极具有高理论比容量、低密度和低电极电势的优势，被认为下一代电池的理想负极材料。目前其存在着锂的不均匀沉积、循环时的体积效应、锂与电解液间的高反应活性导致锂枝晶产生及循环寿命降低的问题。针对这些问题，本项目提出构筑一种基于保护层/疏锂层/亲锂层的中空管阵列三维框架集流体制备复合金属锂负极。其中，亲锂层在表面疏锂层的作用下，诱导锂离子选择性均匀沉积在中空管内部，缓解枝晶问题及抑制锂金属体积变化；外部的保护层有效阻隔电解液和锂的接触，提高库伦效率。通过复合锂金属负极的构筑，研究不同电场强度调控下的电沉积行为，揭示亲锂层、疏锂层对锂成核生长的作用机理及三维阵列对锂枝晶的抑制作用，探究保护层组分对界面结构与性质及对锂离子脱嵌过程的影响规律，阐明不同功能层抑制锂枝晶生长规律及提高电池循环稳定性的贡献机理，为合理构建锂金属负极并全面提升其性能提供新思路和科学依据。

锂金属负极具有高理论比容量、低密度和低电极电势的优势，被认为下一代电池的理想负极材料。目前其存在着锂的不均匀沉积、循环时的体积效应、锂与电解液间的高反应活性导致锂枝晶产生及循环寿命降低的问题。针对这些问题，本项目提出构筑一种基于多功能的中空管阵列三维框架集流体制备复合金属锂负极。其中，亲锂层在表面疏锂层的作用下，诱导锂离子选择性均匀沉积在中空管内部，缓解枝晶问题及抑制锂金属体积变化；外部的保护层有效阻隔电解液和锂的接触，提高库伦效率。通过复合锂金属负极的构筑，研究不同电场强度调控下的电沉积行为，揭示亲锂层、疏锂层对锂成核生长的作用机理及三维阵列对锂枝晶的抑制作用，探究保护层组分对界面结构与性质及对锂离子脱嵌过程的影响规律，阐明不同功能层抑制锂枝晶生长规律及提高电池库伦效率及循环稳定性的贡献机理，为合理构建并全面提升锂金属负极性能提供新思路和科学依据。项目研究内容主要按照既定的实验设计方案进行，同时基于实验结果所获得的新认识对内容进行相应的调整和拓展。在保证完成研究目标的基础上，对研究内容进行了拓宽，为将来的科学研究打下了坚实基础，主要从事高性能二次电池储能电极的可控设计与器件研制的基础应用研究，通过对电极表界面调控、电极结构设计和柔性器件组装，取得了一系列原创性成果，解决了电池电极高性能存储和器件集成的问题，为高容量、长寿命、功能化储能器件的开发和应用提供了技术支撑和理论指导。