锂金属负极仿生三维纳米结构设计与稳定性作用的相关机理研究

Li metal has long been considered as the “holy grail” anode material in lithium batteries, but its high reactivity with electrolyte and large volume change during cycling lead to its low cycling stability. In this project, we propose a general concept of bio-inspired three-dimensionally nanostructured electrode design to accommodate the volume change of Li metal and isolates the reactive Li metal from the organic electrolyte, thus enhancing the cycling performance of Li metal. We will explore the design principles of bio-inspired tree dimensionally nanostructured Li anode and study the volume accommodation capability of structure and the influence of multi-scale structure design on the distribution of Li deposition and suppress the Li dendrite growth. Various fabrication techniques of three dimensionally nanostructured electrodes will be developed to enriching the selectivity of structural design. The advanced in-situ characterization technique will be used to study the Li metal deposition/dissolution in nanostructured anode during cycling, which will provide significant information for studying mechanism of structure design to stabilize Li anode and promote the practical application of lithium anode.

锂金属一直被认为是最理想的锂电池负极材料，但其高反应活性、充放电时超大体积变化以及锂枝晶生长，导致锂金属负极低安全性和低稳定性。本项目拟构筑仿生结构电极，容纳锂金属循环过程中的体积变化以及隔离高活性锂金属和有机电解液，从而实现锂金属循环性能的提高；拟探索新型仿生三维电极结构的设计原理，重点研究仿生三维空心结构对电极膨胀/收缩的容纳能力，电极多级结构对电流密度和锂离子沉积位点的影响以及对锂枝晶生长的抑制；拟发展多种仿生三维纳米结构电极制备技术，在锂金属负极构筑形貌、结构以及尺寸可调的仿生三维纳米结构，为锂金属负极结构设计提供更多的选择性；采用原位表征手段研究锂金属负极在充放电过程中的形貌、结构和应力变化，深入研究仿生结构设计与锂金属负极稳定性的作用机理，为锂金属负极性能进一步优化提供理论依据，促进仿生结构锂金属电极在实际电池中的应用。

锂金属一直被认为是最理想的锂电池负极材料，但其高反应活性、充放电时超大体积变化以及锂枝晶生长，导致锂金属负极低安全性和低稳定性。针对上述锂金属负极存在的问题，本项目通过仿生三维多级结构在锂金属电极中的设计和构筑，有效抑制了锂金属负极体积变化和枝晶生长等问题，提升了锂金属负极循环寿命和库伦效率。我们围绕新型仿生三维多级结构对电流密度和锂离子沉积位点的影响，电极结构在锂沉积-脱附过程中对锂金属的稳定性作用机制，以及电池的综合性能评估等方面开展了研究工作，取得的主要研究结果包括：通过铜纳米线自蒸发沉积组装以及后续煅烧焊接，构筑了仿生三维结构铜纳米线集流体，并进一步通过电沉积方法以及热熔灌锂法成功制备出仿生三维网络结构复合锂金属负极，三维网络框架高的机械稳定性，可以保证电极在循环过程中极小的体积变化，保持了电极整体的稳定性；利用冰模板法制备具有仿木材结构的低曲度垂直孔道锂金属负极框架，制备了高倍率性能的锂金属负极；受到天然硅藻多级孔道结构启发，从廉价的硅藻出发，制备了三维固态锂金属复合负极，稳固的三维框架结构可以让锂在框架内部沉积/溶解，抑制了锂金属负极的体积变化和锂枝晶的生长，保持了固态电极的稳定性；利用转印的方法，将二维多孔氮化硼纳米片薄膜应用在聚乙烯醇固态电解质以及锂金属界面，保持了界面的稳定性；通过非原位氟化物纳米颗粒化学修饰，设计了一种氟化-合金型固态电解质界面膜，调节了锂离子输运行为，实现了无枝晶的锂沉积/脱出；提出了一种混合电子与离子导电的三维合金层包覆铜纳米线中间层设计机理，实现锂离子从负极到正极的快速传导，并保持了锂金属的界面稳定性。在项目的资助下，目前我们在国内外核心期刊发表研究论文21篇，申请专利6项。我们所提出的锂金属负极的仿生结构设计为高能量密度锂金属电池的电极结构设计提供了新的策略和思路。