功能性聚合物涂层对于锂金属负极保护方面的研究

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锂金属是一种理想的负极材料。由于其自身具有高的理论比容量和低的氧化还原电位,因而它可以显著地提高电池的能量密度,从而满足市场对于高能量密度电池的需求。然而,枝晶状Li的形成以及差的循环性能阻碍了其在可充电电池中的实际应用。考虑到极性官能团与电解液中离子间的化学作用力,我们在电极表面构建了一层具有丰富官能团的聚合物涂层作为人造SEI层来调控电解液与电极界面附近区域离子的电化学行为,因此实现了无枝晶的锂沉积以及改善了金属锂负极的循环性能。(1)丝胶蛋白的多肽链上具有众多的极性官能团。利用其中丰富的亲锂性的位点(-OH,-COOH和-CO-NH-)和亲阴离子性的位点(-NH2),可以分别调控电极/电解液界面处的Li离子和阴离子,实现均匀的Li沉积和剥离。在具有丝胶涂覆的Cu阳极的Li/Cu电池中可以获得超长的循环寿命和98%的高平均库仑效率。即使在极端测试条件下(10 mA cm-2,5 mAh cm-2),丝胶蛋白功能化的Li金属阳极也在对称电池中显示出更优异的循环稳定性。共形的丝胶涂层可以有效地抑制空气和多硫化物对金属Li的侵蚀,基于丝胶涂层包覆的Li阳极的Li-S电池表现出显著提高的倍率性能和长循环性能;(2)聚乙烯醇(PVA)和Li离子间的高结合能使得其分子骨架上亲锂性的位点(-OH)可以吸引大量的Li离子,从而缓解Li离子向电极表面突起处聚集的趋势以及均匀化电极/电解液界面处的锂离子束流,因此Li离子可以均匀地沉积在电极表面。在1,3,5和10 mA cm-2的电流密度下,PVA涂覆的Cu电极表现出更长的循环寿命并且相应的库伦效率分别提高至98.1,97.6,97.5和97.2%。此外,使用PVA涂覆的Li作为阳极在0.2 C和1 C倍率下有效地改善了Li-S全电池的长循环性能。
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