充电机充电蓄电池锂负极成核无锂枝晶重要发展
2017-9-7 9:15:38 点击：
跟着电动汽车、手机、笔记本电脑等职业的高速发展，人们对高能量密度、高安全性的充电机充电储能蓄电池的需求日益增长。在各类充电机充电蓄电池体系中，金属锂因为其最高的理论比能量（3860 mAh g-1）及最低的氧化还原电极电势（-3.040 V vs. 标准氢电极）而成为下一代充电机充电蓄电池负极资料的研讨热门。但是，金属锂负极在充放电进程中，易构成针状或树枝状的锂枝晶。锂枝晶的构成和成长会给充电机充电蓄电池体系带来不可逆的容量损失，乃至可能会穿过隔阂而导致充电机充电蓄电池正负极内部短路，埋下充电机充电蓄电池过热自燃等安全隐患。为处理这些问题，科研作业者们从充电机充电蓄电池结构规划、电解质体系调控等视点进行了许多测验，但现在还都不能完美处理金属锂负极的循环功率低、循环稳定性差、安全性低一级问题。按捺金属锂枝晶的成长需求更多新的思考视点以及新的处理战略。近年来，清华化工系张强课题组在金属锂负极形核和无枝晶成长范畴展开了一系列原创性研讨。
选用中国传统国画方式表述"亲锂位点定向形核"思维，经过形核调控金属锂负极的无枝晶成长，被《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）选为该刊物封面。
研讨金属锂堆积的形核进程是调控金属锂堆积、按捺枝晶成长的起点。传统铜集流体上金属锂形核困难，简单导致构成金属锂枝晶。该研讨团队初次提出，选用掺氮石墨烯为骨架，完成稳定的、无枝晶的金属锂堆积。锂离子在充电开始时，优先吸附在导电亲锂的掺氮位点并堆积构成均匀、密布散布的金属锂形核点。在后续充电进程中，锂离子将根据这些均匀、密布的形核点进行堆积，然后避免了普通铜箔上形核点过度涣散构成的金属锂枝晶成长行为。凭借掺氮石墨烯骨架的亲锂性和导电性，这一新式金属锂负极结构不只完成了无枝晶的高安全性金属锂堆积特性，还体现出了优异的电化学功能。最近，研讨组相关效果以《掺杂石墨烯中亲锂位点调控无枝晶金属锂负极的均匀形核》（Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）为题，发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上，根据该论文“亲锂位点定向形核”思维规划的图片被选为当期杂志封面。
经过掺氮石墨烯上具有亲锂性的含氮官能团（吡啶氮、吡咯氮等）作为形核位点，促进电解质中的锂离子在充电开始时优先吸附在导电亲锂的位点上进而堆积构成均匀散布的金属锂形核点，在后续充电进程中，锂离子将根据这些均匀形核点进行均匀堆积。
为按捺金属锂负极的枝晶成长，张强研讨团队与美国德雷塞尔大学的尤里·高果奇（Yury Gogotsi）研讨团队、华中科技大学江建军研讨团队合作，提出纳米金刚石共堆积战略来调控锂离子的形核和堆积行为。在惯例电解液中，锂离子不均匀地散布在集流体外表，导致金属锂的不均匀堆积和枝晶成长。当在电解液中添加少数纳米金刚石颗粒时，这些粒子可在电场和流体传送效果下抵达负极外表、并均匀散布。这些均匀散布的纳米金刚石与锂离子具有强吸附效果，吸附锂离子、成为锂离子的形核点并诱导金属锂堆积。因为锂离子在纳米金刚石外表的扩散势垒很小，锂离子倾向于在纳米金刚石外表均匀堆积，而不会集合构成枝晶。经过锂堆积描摹剖析发现，纳米金刚石电解液中的金属锂堆积为均匀的阵列状结构，按捺了无序枝晶的呈现。相关作业以《纳米金刚石按捺金属锂负极枝晶成长》(Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites)为题，发表在《天然·通讯》（Nature Communications）上。
当在电解液中添加少数纳米金刚石颗粒时，这些粒子能够在电场和流体的传送效果下抵达负极外表，并均匀散布。这些均匀散布的纳米金刚石与锂离子具有强吸附效果，将会吸附锂离子，成为锂离子的形核点并诱导锂离子在这些点的堆积。因为锂离子在纳米金刚石外表的扩散势垒很小，锂离子倾向于在纳米金刚石外表均匀堆积。
相关研讨提醒了金属锂负极形核和成长规则，选用化学工程的手法有用调控离子输运和界面反响规则，提出亲锂位点定向形核、纳米金刚石添加剂调控锂堆积等战略，有用地按捺了金属锂枝晶的成长。现在，市售充电机充电锂离子蓄电池的能量密度大体在120-220 Wh/kg之间。根据该课题组开发的纳米固态复合金属锂可用于开发能量密度为350-600 Wh/kg的高安全、高比能锂金属充电机充电蓄电池，提高充电机充电蓄电池体系的安全性和比能量，然后有望添加电动汽车续航路程，延伸手机等消费电子设备的待机时间。
选用中国传统国画方式表述"亲锂位点定向形核"思维，经过形核调控金属锂负极的无枝晶成长，被《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）选为该刊物封面。
研讨金属锂堆积的形核进程是调控金属锂堆积、按捺枝晶成长的起点。传统铜集流体上金属锂形核困难，简单导致构成金属锂枝晶。该研讨团队初次提出，选用掺氮石墨烯为骨架，完成稳定的、无枝晶的金属锂堆积。锂离子在充电开始时，优先吸附在导电亲锂的掺氮位点并堆积构成均匀、密布散布的金属锂形核点。在后续充电进程中，锂离子将根据这些均匀、密布的形核点进行堆积，然后避免了普通铜箔上形核点过度涣散构成的金属锂枝晶成长行为。凭借掺氮石墨烯骨架的亲锂性和导电性，这一新式金属锂负极结构不只完成了无枝晶的高安全性金属锂堆积特性，还体现出了优异的电化学功能。最近，研讨组相关效果以《掺杂石墨烯中亲锂位点调控无枝晶金属锂负极的均匀形核》（Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes）为题，发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上，根据该论文“亲锂位点定向形核”思维规划的图片被选为当期杂志封面。
经过掺氮石墨烯上具有亲锂性的含氮官能团（吡啶氮、吡咯氮等）作为形核位点，促进电解质中的锂离子在充电开始时优先吸附在导电亲锂的位点上进而堆积构成均匀散布的金属锂形核点，在后续充电进程中，锂离子将根据这些均匀形核点进行均匀堆积。
为按捺金属锂负极的枝晶成长，张强研讨团队与美国德雷塞尔大学的尤里·高果奇（Yury Gogotsi）研讨团队、华中科技大学江建军研讨团队合作，提出纳米金刚石共堆积战略来调控锂离子的形核和堆积行为。在惯例电解液中，锂离子不均匀地散布在集流体外表，导致金属锂的不均匀堆积和枝晶成长。当在电解液中添加少数纳米金刚石颗粒时，这些粒子可在电场和流体传送效果下抵达负极外表、并均匀散布。这些均匀散布的纳米金刚石与锂离子具有强吸附效果，吸附锂离子、成为锂离子的形核点并诱导金属锂堆积。因为锂离子在纳米金刚石外表的扩散势垒很小，锂离子倾向于在纳米金刚石外表均匀堆积，而不会集合构成枝晶。经过锂堆积描摹剖析发现，纳米金刚石电解液中的金属锂堆积为均匀的阵列状结构，按捺了无序枝晶的呈现。相关作业以《纳米金刚石按捺金属锂负极枝晶成长》(Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites)为题，发表在《天然·通讯》（Nature Communications）上。
当在电解液中添加少数纳米金刚石颗粒时，这些粒子能够在电场和流体的传送效果下抵达负极外表，并均匀散布。这些均匀散布的纳米金刚石与锂离子具有强吸附效果，将会吸附锂离子，成为锂离子的形核点并诱导锂离子在这些点的堆积。因为锂离子在纳米金刚石外表的扩散势垒很小，锂离子倾向于在纳米金刚石外表均匀堆积。
相关研讨提醒了金属锂负极形核和成长规则，选用化学工程的手法有用调控离子输运和界面反响规则，提出亲锂位点定向形核、纳米金刚石添加剂调控锂堆积等战略，有用地按捺了金属锂枝晶的成长。现在，市售充电机充电锂离子蓄电池的能量密度大体在120-220 Wh/kg之间。根据该课题组开发的纳米固态复合金属锂可用于开发能量密度为350-600 Wh/kg的高安全、高比能锂金属充电机充电蓄电池，提高充电机充电蓄电池体系的安全性和比能量，然后有望添加电动汽车续航路程，延伸手机等消费电子设备的待机时间。
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