三维纳米骨架复合金属锂负极及界面作用机制

Lithium metal is considered as one of the most promising anode materials for high energy density batteries owing to its ultra-high capacity (3860 mAh/g) and the lowest potential (-3.04 V vs. standard hydrogen electrode). However, the problem of lithium dendrite restricts its practical application. To address this issue, this project plans to design three-dimensional (3D) nano-framework/Li metal composite electrode and artificial solid electrolyte interface (SEI) film to suppress the lithium dendrite growth, aiming at improving the specific capacity, Coulombic efficiency, cyclic stability, and safety of Li anode. The key points focus on the development of novel and efficient approach to fabricate 3D nano-framework/Li composite anode and artificial SEI film; the investigation of effects from structure and chemical composition in 3D nano-framework and artificial SEI film; the deep understanding of the functional mechanism to inhibit dendrite growth. On this basis, all-solid-state Li metal secondary batteries with dendrite-free composite Li anode, solid electrolyte, and high-capacity cathode will be constructed. Then insight into the interaction mechanism among composite Li anode, solid electrolyte, and cathode will be gained towards high energy density, high cycling stability, and high safety Li metal batteries.

由于金属锂极高的容量（3860 mAh/g）和最负的电势（-3.04 V vs.标准氢电极），被认为是下一代高能电池最有前景的负极材料之一，但充放电过程中锂枝晶的生长限制了其应用。针对此问题，本项目拟通过设计三维纳米骨架集流体/金属锂复合电极和金属锂表面人工固态电解质界面（SEI）膜两种途径来抑制锂枝晶的生长，提高金属锂电池的比容量、库伦效率、循环稳定性和安全性。重点探索新颖、高效的三维纳米骨架集流体/锂复合负极和人工SEI膜的制备方法；研究三维纳米骨架材料和人工SEI膜的结构、化学组分等关键因素对抑制锂枝晶的影响；揭示三维纳米骨架和人工SEI膜在充放电中抑制锂枝晶的作用机制，获得无枝晶复合锂负极。在此基础上，构建基于无枝晶复合锂负极，固体电解质和高容量正极的全固态金属锂二次电池。深入理解复合锂负极-固体电解质-正极的相互作用机制，优化电池的能量密度，循环稳定性，以及安全性能至最佳。

由于金属锂极高的容量（3860 mAh/g）和最负的电势（-3.04 V vs.标准氢电极），被认为是下一代高能电池最有前景的负极材料之一，但充放电过程中锂枝晶的生长限制了其实际应用。本项目主要研究了如何抑制充放电过程中负极锂枝晶的生长，提高全固态金属锂电池负极的比容量及库伦效率，发展高循环安全稳定的锂金属负极材料及固态金属锂电池。围绕锂负极枝晶生长及其在固态电池应用中遇到的关键科学问题，本项目阐明了自外而内解决锂金属枝晶生长、体积变化的机制，开发了熔融法制备三维亲锂导电集流体复合锂负极的实用新方法，有效抑制了锂枝晶生长和体积变化，阐明了限域空间内锂的形核及沉积行为。开发了两种针对表面憎锂三维集流体（铜和碳）的改性新方法。提出利用化学能驱动在铜基合金上制备亲锂改性层的策略。开发了锂负极表面人工SEI膜以及高强度复合电解质的制备方法，实现了锂的均匀沉积和剥离。率先把三维复合锂负极与高容量正极和聚合物/陶瓷复合电解质结合用于全固态锂电池，提出了软界面层解决固体电解质与电极材料界面电阻大的思路，极大提高了电池的循环稳定性。构建了高负载量复合正极和稳定的金属锂/固体电解质界面，实现了高安全、高能量密度全固态锂电池制备。研究成果不仅为复合锂负极和固态电池设计和制造提供了新思路，而且受到国内外同行广泛引用和充分肯定，以及效仿和跟踪。.在本项目资助下，在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater.等国际知名期刊上发表SCI收录论文43篇，其中邀请综述6篇，ESI高被引论文7篇。申请发明专利4项。项目执行期间参加国内外各项学术会议10余人次，邀请报告3人次，邀请境外知名人员来访2人次。..