充電機充電蓄電池鋰負極成核無鋰枝晶重要發(fā)展
2017-9-7 9:15:38??????點擊：
跟著電動汽車、手機、筆記本電腦等職業(yè)的高速發(fā)展，人們對高能量密度、高安全性的充電機充電儲能蓄電池的需求日益增長。在各類充電機充電蓄電池體系中，金屬鋰因為其最高的理論比能量（3860 mAh g-1）及最低的氧化還原電極電勢（-3.040 V vs. 標準氫電極）而成為下一代充電機充電蓄電池負極資料的研討熱門。但是，金屬鋰負極在充放電進程中，易構成針狀或樹枝狀的鋰枝晶。鋰枝晶的構成和成長會給充電機充電蓄電池體系帶來不可逆的容量損失，乃至可能會穿過隔閡而導致充電機充電蓄電池正負極內部短路，埋下充電機充電蓄電池過熱自燃等安全隱患。為處理這些問題，科研作業(yè)者們從充電機充電蓄電池結構規(guī)劃、電解質體系調控等視點進行了許多測驗，但現(xiàn)在還都不能完美處理金屬鋰負極的循環(huán)功率低、循環(huán)穩(wěn)定性差、安全性低一級問題。按捺金屬鋰枝晶的成長需求更多新的思考視點以及新的處理戰(zhàn)略。近年來，清華化工系張強課題組在金屬鋰負極形核和無枝晶成長范疇展開了一系列原創(chuàng)性研討。
選用中國傳統(tǒng)國畫方式表述"親鋰位點定向形核"思維，經(jīng)過形核調控金屬鋰負極的無枝晶成長，被《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）選為該刊物封面。
研討金屬鋰堆積的形核進程是調控金屬鋰堆積、按捺枝晶成長的起點。傳統(tǒng)銅集流體上金屬鋰形核困難，簡單導致構成金屬鋰枝晶。該研討團隊初次提出，選用摻氮石墨烯為骨架，完成穩(wěn)定的、無枝晶的金屬鋰堆積。鋰離子在充電開始時，優(yōu)先吸附在導電親鋰的摻氮位點并堆積構成均勻、密布散布的金屬鋰形核點。在后續(xù)充電進程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻、密布的形核點進行堆積，然后避免了普通銅箔上形核點過度渙散構成的金屬鋰枝晶成長行為。憑借摻氮石墨烯骨架的親鋰性和導電性，這一新式金屬鋰負極結構不只完成了無枝晶的高安全性金屬鋰堆積特性，還體現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學功能。最近，研討組相關效果以《摻雜石墨烯中親鋰位點調控無枝晶金屬鋰負極的均勻形核》（Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）為題，發(fā)表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上，根據(jù)該論文“親鋰位點定向形核”思維規(guī)劃的圖片被選為當期雜志封面。
經(jīng)過摻氮石墨烯上具有親鋰性的含氮官能團（吡啶氮、吡咯氮等）作為形核位點，促進電解質中的鋰離子在充電開始時優(yōu)先吸附在導電親鋰的位點上進而堆積構成均勻散布的金屬鋰形核點，在后續(xù)充電進程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻形核點進行均勻堆積。
為按捺金屬鋰負極的枝晶成長，張強研討團隊與美國德雷塞爾大學的尤里·高果奇（Yury Gogotsi）研討團隊、華中科技大學江建軍研討團隊合作，提出納米金剛石共堆積戰(zhàn)略來調控鋰離子的形核和堆積行為。在慣例電解液中，鋰離子不均勻地散布在集流體外表，導致金屬鋰的不均勻堆積和枝晶成長。當在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時，這些粒子可在電場和流體傳送效果下抵達負極外表、并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強吸附效果，吸附鋰離子、成為鋰離子的形核點并誘導金屬鋰堆積。因為鋰離子在納米金剛石外表的擴散勢壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積，而不會集合構成枝晶。經(jīng)過鋰堆積描摹剖析發(fā)現(xiàn)，納米金剛石電解液中的金屬鋰堆積為均勻的陣列狀結構，按捺了無序枝晶的呈現(xiàn)。相關作業(yè)以《納米金剛石按捺金屬鋰負極枝晶成長》(Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites)為題，發(fā)表在《天然·通訊》（Nature Communications）上。
當在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時，這些粒子能夠在電場和流體的傳送效果下抵達負極外表，并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強吸附效果，將會吸附鋰離子，成為鋰離子的形核點并誘導鋰離子在這些點的堆積。因為鋰離子在納米金剛石外表的擴散勢壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積。
相關研討提醒了金屬鋰負極形核和成長規(guī)則，選用化學工程的手法有用調控離子輸運和界面反響規(guī)則，提出親鋰位點定向形核、納米金剛石添加劑調控鋰堆積等戰(zhàn)略，有用地按捺了金屬鋰枝晶的成長。現(xiàn)在，市售充電機充電鋰離子蓄電池的能量密度大體在120-220 Wh/kg之間。根據(jù)該課題組開發(fā)的納米固態(tài)復合金屬鋰可用于開發(fā)能量密度為350-600 Wh/kg的高安全、高比能鋰金屬充電機充電蓄電池，提高充電機充電蓄電池體系的安全性和比能量，然后有望添加電動汽車續(xù)航路程，延伸手機等消費電子設備的待機時間。
選用中國傳統(tǒng)國畫方式表述"親鋰位點定向形核"思維，經(jīng)過形核調控金屬鋰負極的無枝晶成長，被《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）選為該刊物封面。
研討金屬鋰堆積的形核進程是調控金屬鋰堆積、按捺枝晶成長的起點。傳統(tǒng)銅集流體上金屬鋰形核困難，簡單導致構成金屬鋰枝晶。該研討團隊初次提出，選用摻氮石墨烯為骨架，完成穩(wěn)定的、無枝晶的金屬鋰堆積。鋰離子在充電開始時，優(yōu)先吸附在導電親鋰的摻氮位點并堆積構成均勻、密布散布的金屬鋰形核點。在后續(xù)充電進程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻、密布的形核點進行堆積，然后避免了普通銅箔上形核點過度渙散構成的金屬鋰枝晶成長行為。憑借摻氮石墨烯骨架的親鋰性和導電性，這一新式金屬鋰負極結構不只完成了無枝晶的高安全性金屬鋰堆積特性，還體現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學功能。最近，研討組相關效果以《摻雜石墨烯中親鋰位點調控無枝晶金屬鋰負極的均勻形核》（Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）為題，發(fā)表于《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上，根據(jù)該論文“親鋰位點定向形核”思維規(guī)劃的圖片被選為當期雜志封面。
經(jīng)過摻氮石墨烯上具有親鋰性的含氮官能團（吡啶氮、吡咯氮等）作為形核位點，促進電解質中的鋰離子在充電開始時優(yōu)先吸附在導電親鋰的位點上進而堆積構成均勻散布的金屬鋰形核點，在后續(xù)充電進程中，鋰離子將根據(jù)這些均勻形核點進行均勻堆積。
為按捺金屬鋰負極的枝晶成長，張強研討團隊與美國德雷塞爾大學的尤里·高果奇（Yury Gogotsi）研討團隊、華中科技大學江建軍研討團隊合作，提出納米金剛石共堆積戰(zhàn)略來調控鋰離子的形核和堆積行為。在慣例電解液中，鋰離子不均勻地散布在集流體外表，導致金屬鋰的不均勻堆積和枝晶成長。當在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時，這些粒子可在電場和流體傳送效果下抵達負極外表、并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強吸附效果，吸附鋰離子、成為鋰離子的形核點并誘導金屬鋰堆積。因為鋰離子在納米金剛石外表的擴散勢壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積，而不會集合構成枝晶。經(jīng)過鋰堆積描摹剖析發(fā)現(xiàn)，納米金剛石電解液中的金屬鋰堆積為均勻的陣列狀結構，按捺了無序枝晶的呈現(xiàn)。相關作業(yè)以《納米金剛石按捺金屬鋰負極枝晶成長》(Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites)為題，發(fā)表在《天然·通訊》（Nature Communications）上。
當在電解液中添加少數(shù)納米金剛石顆粒時，這些粒子能夠在電場和流體的傳送效果下抵達負極外表，并均勻散布。這些均勻散布的納米金剛石與鋰離子具有強吸附效果，將會吸附鋰離子，成為鋰離子的形核點并誘導鋰離子在這些點的堆積。因為鋰離子在納米金剛石外表的擴散勢壘很小，鋰離子傾向于在納米金剛石外表均勻堆積。
相關研討提醒了金屬鋰負極形核和成長規(guī)則，選用化學工程的手法有用調控離子輸運和界面反響規(guī)則，提出親鋰位點定向形核、納米金剛石添加劑調控鋰堆積等戰(zhàn)略，有用地按捺了金屬鋰枝晶的成長。現(xiàn)在，市售充電機充電鋰離子蓄電池的能量密度大體在120-220 Wh/kg之間。根據(jù)該課題組開發(fā)的納米固態(tài)復合金屬鋰可用于開發(fā)能量密度為350-600 Wh/kg的高安全、高比能鋰金屬充電機充電蓄電池，提高充電機充電蓄電池體系的安全性和比能量，然后有望添加電動汽車續(xù)航路程，延伸手機等消費電子設備的待機時間。
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