成都理工大学用于稳定锂金属电池的单离子导电锂基蒙脱石界面层

　　研究背景
　　对电动汽车、便携式电子产品和其他电力应用的需求和发展，促使人们对具有高能量密度、高效率和低成本等理想优点的先进储能系统产生了广泛的研究兴趣。研究人员用金属锂代替理论容量为360mAhg1的传统石墨阳极，并与基于转换化学的阴极耦合。例如，先进的锂氧（LiO2）和锂硫（LiS）电池的理论能量密度分别高达3505Whkg1和2600Whkg1。然而，就锂金属阳极（LMAs）而言，这种高能量密度的锂金属电池（LMBs）的实际和商业应用一直受到树枝状生长有关的问题的阻碍。人们普遍认为，在LMAs表面形成的固体电解质界面（SEI）在调节阴离子和Li离子的传输行为方面起着主导和关键的作用。然而，大多数天然形成的SEI是脆性的和脆弱的。
　　通过调节电解质成分（即锂盐、溶剂、添加剂等）来设计坚固的SEI已成为电解质设计的基础，改变电解质成分也可以改变Li离子的溶解结构，从而影响Li在电极电解质界面的解溶。因此，在LMAs表面引入具有高模量的人工SEI保护层并同时调节阴离子和Li离子的流动性以实现高Li离子导电性是稳定LMAs的一个重要策略。为了追求稳定的LMAs和LMBs的实际应用，成都理工大学的舒朝著教授团队设计了一个基于LiMMT的人工单离子导电保护层。
　　相关成果以Asingleionconductinglithiumbasedmontmorilloniteinterfaciallayerforstablelithiummetalbatteries为题发表在国际权威期刊《JournalofMaterialsChemistryA》（IF14。511，JCR一区）上。
　　研究结果
　　在这项工作中，研究人员精心制作了锂基蒙脱石（LiMMT）层，作为坚固的人工单离子导电SEI保护层，以促进LMA上无树枝状的Li沉积。在LiMMT的断裂边缘，大量的OH官能团作为路易斯酸位点能够固定TFSI离子，并且LiMMT上通过同构取代产生的大量负电荷对Li离子有很强的吸附力。因此，LiMMT层作为TFSI离子的笼子，同时又是Li离子的储库，这就减轻了Li离子的浓度梯度，降低了电极电解质界面的电场。此外，通过离子交换反应得到的LiMMT的层间锂化点有利于加速Li离子的传导。
　　理论计算和有限元模拟有力地证实，LiMMT层可以同时调节TFSI离子和Li离子在电极电解质界面的传输行为，实现无树枝状的Li沉积。在这种同时进行的多维调控下，所获得的LiMMTCuLi电极显示出良好的界面稳定性和快速的Li离子传输动力学，从而使对称电池的稳定性延长到1300小时以上。此外，基于LiMMTCuLi电极的LiO2全电池获得了大幅提高的能量密度、显著的循环性能和抑制的副反应。
　　研究数据
　　图1。（a）没有和（b）有LiMMT层电极附近的离子浓度和电场分布示意图。（c）LiMMT层内的离子传输行为。SEM图像（d）LiMMT层的顶视图和（e）横截面。（f）LiMMT层的力曲线和插图中显示的相应的拟合杨氏模量。（g）使用无LiMMT层和有LiMMT层的LiLi对称电池测定Li转移数。（h）带有TFSI离子的LiMMT（LiMMTTFSI）和（i）带有Li离子的LiMMT（LiMMTLi）的差分电荷密度以及相应的吸附能量。（j）在一个周期内Li离子沿LiMMT层间的迁移能垒。
　　图2。LiMMTCuLi和CuLi电极表征。
　　图3。有无LiMMT层的电极的有限元模拟结果。
　　图4。Li沉积的LiMMTCuLi电极的实际应用潜力。
　　原文链接
　　https：pubs。rsc。orgencontentarticlelanding2022tad2ta06898b
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