1. 首页
  2. 生物质

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池

【背景】

    金属锂因其具有超高的理论比容量和最低的电极电势,被认为是构建高比能电池电极的“圣杯”材料。与现有商业化的锂离子电池相比,基于金属锂为负极的锂金属电池(LMBs)极大提高了电池的理论能量密度,展现出满足新兴行业对于高能量密度需求的巨大潜力。但是锂金属电池存在固态电解质界面(SEI)不稳定以及负极锂枝晶生长等瓶颈。为了拓展金属锂负极应用,科学家们不断探索电解液修饰、人工保护层、隔膜改性、准固态电解质及固态电解质、结构负极等策略来抑制锂枝晶的生长和提高SEI稳定性。与合成材料相比,天然生物质材料具有优异的机械性能、丰富的极性官能团、结构的多样性、以及可再生和生物降解性等多重优势,近年来在金属锂负极保护方面受到了越来越多的关注。

    近日,清华大学张强教授、北京林业大学袁同琦教授、北京理工大学黄佳琦研究员、伦敦帝国理工学院Maria-Magdalena Titirici合作,受邀在 Materials Today Nano 上发表了题为 “A review of naturally derived nanostructured materials for safe lithium metal batteries” 的综述文章。该综述在加深对锂负极化学理解的基础上,介绍了基于生物质纳米材料的锂金属负极保护策略的最新研究成果,并对未来的发展方向进行了展望。

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池 图1 基于生物质纳米材料的锂金属负极保护策略。

【图文导读】

一、人工保护层

    天然生物质高聚物膜具有高的机械强度以及丰富的官能团等物理化学特性,在构筑人工保护层方面具有优势。一方面可以通过天然聚合物高机械模量来抑制枝晶的生长;另一方面,也可以利用聚合物骨架中丰富的极性官能团来调控锂离子的均匀沉积。

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池图2 基于生物质材料的人工界面保护层来抑制锂枝晶生长。(a)以琼脂糖为保护层抑制枝晶生长的作用原理图。(b)1 mA cm−2电流密度条件下,经过100圈循环后,Li@Ag-Cu电极的形貌图。(c)罗望子胶的结构示意图。(d)罗望子胶薄膜的粘度、硬度和(e)拉伸强度。

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池图3 基于生物质材料的人工界面保护层调控锂离子沉积。(a)KWs界面层调控锂离子均匀沉积示意图。(b)基于KWs保护锂金属电池与未保护电池的锂枝晶生长行为对比。(c)基于KWs界面层的锂金属电池的锂沉积形貌图。(d)基于KWs保护锂金属电池与未保护电池的负极表面预沉积锂枝晶形貌图。(e)在5 mA cm−2电流下,基于KWs界面层的锂金属电池的循环曲线。

二、隔膜

    生物大分子具有丰富的孔结构和表面极性官能团,被广泛用来对传统隔膜修饰改性或设计生物质基新型隔膜,以提高隔膜的润湿性和离子通量,实现锂离子的高效电化学沉积。

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池图4 天然生物材料对传统隔膜修饰来抑制锂枝晶。(a)多巴胺修饰聚乙烯复合隔膜抑制枝晶生长的作用示意图。(b)复合隔膜在电池循环20圈前、后的形貌对比图。(c)纤维素纳米纤维/PE/纤维素纳米纤维(CPC)复合隔膜制备示意图。(d)多孔CPC 复合隔膜调控锂沉积作用示意图。

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池图5 基于生物质材料的新型隔膜来抑制锂枝晶。(a)面膜纸用于可充电电池效果图。(b)基于纤维素隔膜的孔分布图。(c)以Celgard 2500或面膜纸作为隔膜的电池循环性能和库仑效率。(d)经过10次充放电循环后,基于壳聚糖新型隔膜的表面形貌图。(e)α-壳聚糖、β-壳聚糖及PP与锂离子的径向分布函数。

三、聚合物电解质

    天然生物聚合物具有丰富的化学基团、较高的机械弹性和化学稳定性,可以通过物理化学交联或作为聚合物电解质载体,以提高聚合物电解质的机械性能和离子电导率,从而获得高效稳定的锂负极界面。

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池图6 天然生物质基聚合物电解质稳定锂金属负极。(a)细菌纤维素(BC)基聚合物电解质的应力-应变曲线。(b)BC链与溶剂之间相互作用的示意图。(c)PMM-CPE的应力-应变曲线。(d)以PMM-CPE组装对称电池,在9.5 mA cm-2电流密度下的循环性能。(e)生物质衍生复合聚合物电解质抑制锂枝晶的作用示意图。

四、功能骨架

    天然生物材料衍生的纳米碳材料具有丰富多孔结构、高导电性能和结构多样化等优势,在构建功能性骨架或锂金属负极宿主等方面具有重要的应用前景。

Materials Today Nano:生物质纳米材料助力高安全金属锂电池图7 基于天然生物质衍生碳基骨架用于抑制锂枝晶。(a)具有有序通道的Li/C-wood 电极调控锂沉积的作用示意图。(b)Li/C-wood电极的表面形貌及截面形貌图。(c)ZnO修饰多孔碳骨架调控锂成核及沉积行为。(d)原子级分散的亲锂CoNx位点诱导金属锂形核。

【总结与展望】

    金属锂负极存在的锂枝晶生长不可控、界面SEI膜不稳定等问题限制了锂金属电池的商业化进程。天然生物材料具有低成本、环境友好、结构丰富等优势,且其衍生的纳米材料有也能很好的继承天然材料的优异特性,在稳定界面SEI及调控负极锂枝晶生长方面具有很大的应用潜力。该综述在可持续的天然生物质材料和锂金属负极保护之间搭建起一座桥梁,推进生物质纳米材料在高能量密度LMBs和其他先进储能系统中的应用。

    刘佳,北京林业大学讲师,主要从事电化学能源存储与转化及生物质衍生电催化材料的应用研究,曾获评北京市优秀毕业生、优秀研究生标兵、国家奖学金等荣誉称号。

    袁同琦,北京林业大学教授、博士生导师。现主要从事生物质清洁高效预处理及全组分转化为生物质能源及材料的基础及应用研究工作,特别是在分离木质素的结构表征及高值化转化利用方面取得了一定的研究成果,3项专利技术已在合作企业实现产业化应用,取得了较显著的经济、社会和环境效益。

    张强,清华大学教授研究团队在能源材料化学领域,尤其是金属锂负极、锂硫电池和电催化方向,开展了众多引领性的研究工作。在金属锂负极领域,该团队利用原位方法研究固液界面膜,并通过纳米骨架、人工SEI、表面固态电解质保护膜等手段调控金属锂的沉积行为,抑制锂枝晶的生长,实现金属锂的高效安全利用,并结合第一性原理计算与有限元计算展开理论分析。这些相关研究工作发表在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Chem, Joule, Matter, PNAS, Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Energy Storage Mater.等期刊上。此外,该研究团队在锂硫电池及金属锂保护领域申请了一系列发明专利,形成了具有较好保护作用的专利群。

原文链接:

Liu J, Yuan H, Cheng XB, Chen WJ, Titirici MM, Huang JQ, Yuan TQ, Zhang Q. A review of naturally derived nanostructured materials for safe lithium metal batteries Materials Today Nano 2019, 8, 100049. doi: 10.1016/j.mtnano.2019.100049.

本文由能源学人编辑Lyncccom发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/30584.html

参考文献:

联系我们

15521390112

邮件:nyxrtg@energist..vip

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code