基于电解抛光的方法改善锂金属表面及其对锂枝晶生长抑制机理研究

As the capacity of Li-ion batteries has been close to their theoretical limit, the use of Li metal as anode is a key step in obtaining the high capacity of the next energy storage systems including Li-S and Li-air batteries. However, the formation of Li dendrite which is considered as one of the most critical obstacles, may lead to short circuits and thermal runaway hence possibly causing serious security issues. In this project，the highly smooth metallographical surface of Li metal could be obtained by the traditional electropolishing which has not been reported previously. At the same time, the highly smooth surface of Li metal is believed to inhibit dendrite growth intrinsically. The parameters of the electropolishing, the relationship between the surface and the nucleation of the dendrite will be investigated. Also the mechanism on the surface control and Li-ion migration will be revealed. The model of the Li dendrite formation on the highly smooth Li surface will be modified. The achievement in this project will provide theory and practice basis for the application of Li metal in the next generation of Li batteries.

随着锂离子二次电池的容量已经接近理论值，直接采用锂金属作为负极材料制备新一代储能电池如锂硫、锂空气电池等，无疑是提高电池能量密度的最有效方式。然而，锂金属在实际的充放电过程中会产生严重的枝晶问题，导致电池内部短路产生过热效应继而演变为严重的安全问题。本项目拟通过电解抛光技术精确控制锂金属表面状态以实现超高光滑锂金相表面，进而从本征上抑制锂枝晶沉积。主要考察电解抛光各种参数对锂金属表面状态的影响；分析锂金属表面微观状态与枝晶形核的关系；探索锂离子在高光滑基体表面迁移动力学相关的信息；优化锂表面光滑度对抑制枝晶生长的理论模型。期望通过锂金属表面精饰阐明锂金属表面状态与枝晶形成的内在联系，揭示枝晶在锂金属表面生长的机理，为推动锂金属负极在新型电池中的应用提供实验基础与科学依据。

采用锂金属作为负极是解决锂电池能量密度低的最佳途径之一。然而，锂金属在电池循环过程中会在表面生成枝晶使其成为阻碍锂金属实用化的关键问题。本项目从腐蚀角度提出了一种电解抛光锂金属的方式以抑制枝晶形成。该抛光方式可以极大地光滑锂金属表面，并在表面形成一层薄且牢固的表面钝化膜，从而从根本上减少锂枝晶的形核位点。该方法通过选择双功能电解质硝酸锂（LiNO3）和溴化锂（LiBr），建立了锂金属表面固态电解质膜的溶解与再生的动态平衡。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，LiNO3-LiBr双功能电解液可以实现表面钝化膜的平衡作用，并最终实现电解抛光。与此同时，本项目主要考察了电解抛光各种参数对锂金属表面状态的影响，分析了锂金属表面微观状态与枝晶形核的关系，并建立了光滑锂金属表面形成的理论模型。结果显示，抛光后的锂表面被均匀、光滑、薄的SEI层覆盖，不仅减少了枝晶形成的活性位点，而且提高了Li+扩散动力学。抛光后的金属锂在一系列包括全固态电池，锂硫电池，锂氧气电池中均展现了良好的性能。因此，该方法具有实用意义，并为寻找长寿命可充电锂金属电池的电解质开辟其他可能性。