在國家自然科學基金面上項目、中國科協青年人才托舉工程和北京理工大學科技創新計劃的資助下，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦特別研究員課題組在下一代高能量密度金屬鋰電池中高安全性金屬鋰負極研究方面取得新進展。近期，相關研究成果以題為“Artificial soft–rigid protective layer for dendrite-free lithium metal anode”于2018年1月8日在線發表于《先進功能材料》(Advanced Functional Materials, 影響因子12.124)。
金屬鋰憑借其極高的理論比容量(3860 mA h g?1)和最負的電極電位(?3.045 V vs. 標準氫電極)而被認為是最具有開發前景的高比能負極材料之一。但金屬鋰電極的實用化受到鋰枝晶生長和較低循環效率的限制。金屬鋰是一種高活潑性金屬，與電解液接觸時形成結構和組分復雜的固態電解質界面，在電化學反應過程中難以維持界面的穩定。因此，界面處鋰離子的不均勻沉積易引發針狀、樹枝狀、苔蘚狀的鋰沉積。鋰枝晶的生長一方面會刺破隔膜，與正極接觸引發電池短路，造成安全隱患;另一方面也增大了金屬鋰與電解液的接觸面積，使得副反應增多，電池的循環效率進一步下降。
“剛柔相濟”的復合膜對界面進行修飾后，可有效依附于金屬鋰表面，并抑制枝晶生長的示意圖。
為了構建穩定的金屬鋰/電解液界面，調控鋰的均勻沉積，該課題組提出以無機LiF為剛性組分，以PVDF-HFP聚合物為柔性組分來構建“剛柔相濟”的復合膜，以在電化學循環過程中穩定金屬鋰與電解液的界面。其中，柔性聚合物提供的柔性和可伸縮性可承受金屬鋰電極沉積/溶解過程中的界面波動，而剛性組分的引入可進一步提升修飾層的機械模量，從而抑制鋰枝晶生長，實現鋰的均勻沉積。將這種同時具有好的形變性能、高的機械模量和離子導率的界面修飾層引入到紐扣電池中后，Li-Cu半電池、Li-Li對稱電池的循環壽命以及循環穩定性都顯著提升;與磷酸鐵鋰正極匹配的全電池測試中，復合層修飾后的電池循環壽命提升了2.5倍。