“寿命提升6倍” 全球性能最佳锂金属电池问世

Published 28 Mar.2023 15:34(KST)

KAIST研究团队
应用超薄共聚高分子保护膜

韩国国内研究团队成功将被视为下一代电池的锂金属电池寿命提升到原来的6倍以上。

韩国科学技术院（KAIST）28日表示，由新材料工程系教授 Kim Ildoo 和生命化学工程系教授 Lim Sunggap 共同领导的研究团队，在锂离子电池电解液中，引入一种会发生膨胀（高分子化合物吸收溶剂后体积增大）的超薄共聚物高分子保护膜，成功大幅延长了锂金属电池的使用寿命。

通过 iCVD 工艺合成的电解质膨胀性高分子薄膜。图片由 KAIST 提供

作为锂二次电池理想负极材料而备受关注的锂金属，其容量比目前商用电池所用的石墨（graphite，372mAh/g）高出10倍。然而，由于在充放电过程中容易生成被称为锂枝晶（dendrite）的针状沉积物这一根本性问题，尚未实现商业化。

为阻止锂金属较低的库仑效率、短电池寿命以及爆炸风险等问题，研究界一直尝试人工构筑固体电解质界面层（SEI）作为保护膜，以实现锂离子顺畅传输并抑制枝晶生长。然而，现有人工SEI层厚度较大，会在电池内部产生较高阻抗；在数百次以上循环工作时，SEI层容易从锂金属上剥离，难以长期保持锂金属负极的稳定性。此外，在SEI层形成过程中，高反应性的锂经常受到损伤，难以构筑理想结构的SEI层。

应用了共聚高分子保护膜的锂负极。图源 KASIT提供

为控制锂金属的高反应性并解决枝晶生长及电解液耗竭问题，研究团队采用了“利用引发剂的化学气相沉积法（iCVD）”。在这一工艺中，不使用溶剂，在温和条件下于锂金属表面沉积保护膜，既不会造成表面损伤，又能将功能性高分子薄膜均匀而超薄地覆于其上。

研究团队利用 iCVD 工艺制备的高分子薄膜稳定了锂电极的界面。该高分子保护膜与电解液接触后体积膨胀至原来的3倍，形成柔软的SEI结构体，使得负极锂表现出世界领先水平的锂离子迁移数（0.95）和离子电导率（6.54 mS cm-1）特性。特别是，即便厚度仅为100纳米，也能有效抑制锂枝晶的生长。研究团队使用涂覆了该高分子薄膜的锂负极与商用正极材料 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 组装成电池单元（battery cell），实现了长达600次以上稳定循环的世界顶级性能。

电解质膨胀率测量与锂-NMC 全电池的性能评估。图片出处 KAIST 提供。

研究团队表示：“通过在电解液中会发生膨胀的超薄高分子保护膜并结合 iCVD 工艺，我们成功开发出相较于未处理锂金属寿命提升6倍以上的锂金属电池”，并称“这一技术不仅有望应用于高容量锂二次电池，还可加速锂-硫电池、锂-空气电池等下一代二次电池关键部件——锂负极的商业化进程”。

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相关研究已于本月8日在线发表在国际学术期刊《Advanced Energy Materials》上，并被选为封面论文。（论文题目：Reinforcing native solid-electrolyte interphase layers via electrolyte-swellable soft-scaffold for lithium metal anode）

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