鋰金屬二次電池之所以沒(méi)能大規(guī)模的推廣應(yīng)用，主要是因?yàn)榻饘黉囏?fù)極在反復(fù)的充電過(guò)程中由于鋰沉積的不均勻性，導(dǎo)致金屬鋰變的疏松多孔，表面積大幅增加，這一方面會(huì)造成金屬鋰負(fù)極的體積持續(xù)膨脹，另一方面還會(huì)造成SEI膜的持續(xù)生長(zhǎng)，同時(shí)在極端情況下不斷生長(zhǎng)的鋰枝晶甚至?xí)┢聘裟ひ痣姵氐亩搪?，?dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此針對(duì)鋰金屬二次電池的研究工作也主要集中在如何讓金屬Li沉積的更加均勻，并抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。

 

研究表明鋰枝晶的生長(zhǎng)主要源于電化學(xué)反應(yīng)速度與Li+擴(kuò)散速度之間的不匹配，如果電化學(xué)反應(yīng)的速度快于Li+的擴(kuò)散速度就會(huì)在金屬鋰負(fù)極的表面產(chǎn)生Li+濃度梯度，這樣就會(huì)造成電流分布的不均，從而導(dǎo)致枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)。近日，中科院北京過(guò)程工程研究所的Yongxiu Chen（第一作者）和Yongsheng Han（通訊作者）等人通過(guò)采用外部交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)的方式提高了Li+的擴(kuò)散能力，從而抑制了Li枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)，大幅延長(zhǎng)了鋰金屬二次電池的使用壽命。

 

交流電場(chǎng)作用

首先Yongxiu Chen在金屬鋰負(fù)極一側(cè)設(shè)置了兩塊垂直于金屬鋰負(fù)極的極板，并在極板上施加一個(gè)正弦交變電場(chǎng)（如上圖b所示），在交變電場(chǎng)的作用下Li的沉積過(guò)程變得更加均勻，避免Li枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)。

 

為了驗(yàn)證交流電場(chǎng)在實(shí)際電池中的作用，作者采用銅箔為負(fù)極、LCO為正極，1M LiPF6（EC/DEC=1:1）為電解液組成了全電池，從下圖d能夠看到在2mA/cm2的電流密度下循環(huán)1.62h后沒(méi)有交流電場(chǎng)的電池的極化電壓就達(dá)到了4.8V以上，而采用30Hz交流電場(chǎng)保護(hù)的電池在4.8h內(nèi)極化電壓持續(xù)低于4.8V。采用SEM對(duì)循環(huán)后的負(fù)極進(jìn)行觀測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有交流電場(chǎng)的負(fù)極表面SEI膜被破壞，并長(zhǎng)出了大量的枝晶結(jié)構(gòu)，在負(fù)極表面加上交流電場(chǎng)保護(hù)后金屬鋰負(fù)極表面沒(méi)有出現(xiàn)Li枝晶，SEI膜也基本沒(méi)有被破壞。這表明交流電場(chǎng)的存在能夠有效的促進(jìn)Li+在負(fù)極表面的均勻分布，從而達(dá)到抑制Li枝晶生長(zhǎng)的作用。

 

直流電場(chǎng)作用

 

為了進(jìn)一步提升Li+在電解液中的擴(kuò)散速度，降低Li負(fù)極表面的濃度梯度，YongxiuChen還嘗試在電池正負(fù)極之間增加了一個(gè)直流電場(chǎng)（如下圖a所示），從下圖b中我們能夠看到在正負(fù)極之間分別增加2.5V／cm和5V/cm的直流電場(chǎng)后，電池的穩(wěn)態(tài)電流從0.28uA分別增加到了4.11和5.92uA，表明在正負(fù)極之間增加直流電場(chǎng)后負(fù)極的極化顯著降低。同時(shí)我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)隨著正負(fù)極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，正負(fù)極之間的Li+遷移數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)也出現(xiàn)了顯著的增加（如下圖c所示），這表明正負(fù)極之間的直流電場(chǎng)能夠有效的促進(jìn)Li+從正極擴(kuò)散到負(fù)極表面，使得負(fù)極表面的Li+濃度梯度顯著減?。ㄈ缦聢Dd所示），從而有效的抑制Li枝晶的生長(zhǎng)，在5V/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度下，電池的壽命能夠提升2倍（電流密度2mA/cm2，如下圖e、f所示）。

 

 

直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)都能夠有效的抑制Li枝晶的生長(zhǎng)，提升鋰金屬二次電池的循環(huán)壽命，因此Yongxiu Chen在金屬鋰電池中同時(shí)引入了直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)（直流電場(chǎng)5V/cm，交流電場(chǎng)5V/cm，30Hz，如下圖a所示），從下圖b和c能夠看到相比于對(duì)照組電池，采用交流和直流電場(chǎng)后的鋰金屬二次電池的壽命提高了5倍左右，對(duì)循環(huán)45次后的金屬鋰負(fù)極觀察能夠發(fā)現(xiàn)，金屬鋰的表面并沒(méi)有枝晶的產(chǎn)生，取而代之的是金屬鋰在負(fù)極表面沉積成為小球，形成較為光滑的表面，從而也保證了SEI膜的完整性。這表明在交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)的共同作用下，一方面促進(jìn)了Li+在負(fù)極表面的均勻分布，另一方面也促進(jìn)了Li+從正極擴(kuò)散到負(fù)極，從而降低了負(fù)極表面的Li+濃度梯度，兩者共同作用顯著抑制了Li枝晶的生長(zhǎng)，從而大幅提高了金屬鋰二次電池的使用壽命。

 

金屬Li枝晶的產(chǎn)生和生長(zhǎng)主要是因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)的速度與Li+擴(kuò)散的速度不匹配，Yongxiu Chen通過(guò)使用交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)的方式，提高了Li+的擴(kuò)散速度和Li+在負(fù)極表面的均勻性，從而顯著減少了負(fù)極表面的極化現(xiàn)象，抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)，從而有效的提高了鋰金屬二次電池的使用壽命，對(duì)于未來(lái)鋰金屬二次電池的開(kāi)發(fā)起到了非常好的啟示作用。