斯坦福大学JACS:聚合物涂层对电沉积锂金属的影响


【引言】

锂电沉积技术是下一代高能量密度储能装置的关键。然而,锂的活性导致锂电池的循环寿命短和枝晶生长造成严重的安全问题。最近,许多方法用来稳定锂金属-电解质界面,软聚合物涂层实现了高倍率和高容量锂电池,但是设计和改善涂层的机制还不清楚。本文研究了锂金属负极上,几种聚合物涂层的化学结构和机械性能。

【成果简介】

近日,美国斯坦福大学崔屹鲍哲南(共同通讯)作者等人,在锂沉积的早期阶段,确定了聚合物涂层的化学性质对锂颗粒的形态的影响。研究发现,聚合物介电常数和表面能对锂沉积物尺寸具有显著作用。其中,低表面能聚合物能够导致小表面积的大沉积物形成。原因是涂层与锂表面之间的相互作用减少和界面能的增加。另外,聚合物的高介电常数增加了交换电流,固定电流密度下,过电势的降低能够产生更大的锂沉积物。同时,每种聚合物都有特定的优化厚度,聚合物功能对电池库仑效率有显著影响。因此,这项工作为锂电沉积工艺提供了新思路,为稳定的锂负极聚合物涂层设计提供了方向。相关成果以Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

【图文导读】

1 聚合物涂层的化学结构及其表面Li生长条件图

(a)聚合物涂层的化学结构;

(b)聚合物涂层下,初始阶段Li生长的条件图。

2 电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像及其粒度直方图

(a-d)在铜上,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像,及其SHP涂层的粒度直方图;

(e-g)在铜上,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像,及其PVDF涂层的粒度直方图。

3 SHPSHE共价交联结构及其涂层SEM图像

(a)SHP和SHE共价交联的动态交联化学结构;

(b,c)涂有超分子适应性涂层的SEM图像;

(d,e)涂有共价交联的自愈合弹性体的SEM图像。

4 在铜上各种涂层,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像

(a)铜上无聚合物涂层,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像;

(b)铜上PEO涂层,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像;

(c)铜上PVDF涂层,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像;

(d)铜上SHP涂层,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像;

(e)铜上PU涂层,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像;

(f)铜上PVDF-HFP涂层,电沉积0.1 mAh/cm2锂的SEM图像。

5 各种聚合物涂层的性质与沉积锂的关系

(a)各种聚合物涂层的交换电流密度与介电常数的关系图;

(b)在各种聚合物涂层下,沉积Li的平均直径与表面能的关系图。

6 聚合物涂层影响Li沉积金属的条件示意图

7 各种聚合物涂层的库仑效率图

【小结】

在聚合物涂层和Li沉积和生长的初始阶段,发现聚合物涂层的化学性质对Li电沉积有显著影响。聚合物涂层的化学性能影响Li沉积的形貌,涂层机械性能(包括模量和流动性)和均匀性对于整体沉积质量仍然非常重要。另外,各涂层的介电常数和Li+离子的溶剂环境决定了含有聚合物涂层的交换电流;聚合物涂层的Li-聚合物界面的表面能、交换电流对成核和介电常数对Li颗粒的尺寸起决定作用;涂层厚度和反应性对涂层性能的影响。未来,新涂层应具有高介电常数、低表面能和低反应性;涂层可溶于非极性溶剂中或低于锂熔点下加工。这允许直接涂覆在Li金属表面上,有助于制备无负极的锂电池。本文的研究为系统开发软有机涂层的提供了起点,有助于以高速率和长时间均匀和可逆地锂沉积。

文献链接:Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal(JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b06047)。

本文由材料人新能源编辑部张金洋编译整理。

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