西安交大科研人员在高比能锂金属电池研究领域取得新突破

新型能源技术的有效开发和大规模应用将给全球能源格局带来巨大变革。《国家中长期科学和技术发展规划（2021-2035）》《“十四五”能源领域科技创新规划》等文件指出，储能技术作为能源革命的“最后一公里”，是解决制约清洁能源高效利用瓶颈问题的关键。以传统石墨负极为代表的锂离子电池的能量密度已经接近于理论极限（~250 Wh kg-1）,无法进一步满足航空航天、新能源汽车、无人机等新兴领域对二次电池能量密度的需求。以锂金属为负极的新型储能电池理论能量密度远高于现有锂离子电池（>400Wh kg-1），被认为是新一代电化学储能技术，极具发展潜力。然而，不可控的锂枝晶生长和不稳定的锂金属/电解液界面严重阻碍了其实际应用。

针对上述挑战，西安交通大学宋江选教授团队开发了一种电化学稳定的具有自适能力的静电屏蔽层用于锂金属负极。该静电屏蔽层利用芳香环取代基调控电荷分布来降低其还原电位实现电化学稳定，利用其静电效应自适应地均匀化电极表面的电流密度，从而调控锂沉积行为并实现高沉积容量（4 mAh cm-2）下的无枝晶沉积形貌。基于该静电屏蔽层所构建的锂金属软包电池在极限条件下（高面容量5.7 mAh cm-2，大电流2.7 mA cm-2，低电解液用量2.5 g Ah-1），展现出良好的循环稳定性且能量密度>400 Wh kg-1。相关研究成果发表在国际知名期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上，西安交通大学材料学院博士生赵培钰为第一作者。

自适应静电界面层作用机理示意图

为进一步提高锂金属电池稳定性，团队从材料底层设计出发，基于锂沉积晶面调控策略开发了一种原位镧掺杂的锂金属负极用于高比能锂金属电池。作者发现通过镧掺杂后优选生长晶面由传统的（110）晶面转变为（200）晶面，促使锂电化学沉积时二维生长，在10 mAh cm-2的超高面积容量下也能实现光滑致密的无枝晶锂沉积形貌。与此同时，镧掺杂进一步降低了锂金属/电解液的界面副反应，实现了锂金属/电解液界面稳定化。基于上述策略所构建的锂金属软包电池能量密度高达425 Wh kg-1，循环稳定性优异，单圈容量衰减率仅为0.098%。相关研究成果发表在国际知名期刊《先进材料》 （Advanced Materials）上，西安交通大学材料学院博士生张艳华和赵培钰为共同第一作者。

镧掺杂的锂金属作用机理示意图

以上研究成果均以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位，西安交通大学材料学院宋江选教授为论文唯一通讯作者，论文合作者包括材料学院邓俊楷教授、鲍崇高教授、上海空间电源研究所李永等。该研究涉及到的表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院分析测试中心的支持。以上研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、陕西省重点研发计划、上海市自然科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202211032

https://doi.org/10.1002/aenm.202200568

课题组网站：

http://jxsong.xjtu.edu.cn/