韓布興

(a)脈沖和直流充電波形示意圖；(b) LiTFSI-PC分子動力學(xué)模擬體系快照及示意圖；(c)分子動力學(xué)模擬得到的Li+ 在不同脈沖比電場下在PC溶劑中的擴散系數(shù)；(d)鋰金屬電池在不同脈沖比下的電池壽命

鋰離子電池目前已廣泛應(yīng)用于可便攜電子設(shè)備、無人機和電動汽車等領(lǐng)域1，但其石墨負極較低的能量密度制約了鋰離子電池的進一步發(fā)展2。開發(fā)高能量密度的負極材料開發(fā)是解決當(dāng)前鋰離子電池能量密度低的關(guān)鍵。在所有的負極材料中，金屬鋰由于其高能量密度和低還原電勢，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景3。然而鋰金屬負極在充放電過程中由于鋰枝晶生長造成的循環(huán)穩(wěn)定性差和安全性差等問題制約其實際應(yīng)用4。絕大多數(shù)學(xué)者采用修飾電極材料，改善電解液等途徑抑制鋰枝晶生長5,6。近年來，人們發(fā)現(xiàn)脈沖電流用于鋰離子電池的充電過程中可以穩(wěn)定電池容量、降低電池阻抗和穩(wěn)定電池溫度。但是，關(guān)于將脈沖電流用于鋰金屬電池中報道相對較少，對于脈沖充電過程的微觀機理認識也較為匱乏7。

最近，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院陸盈盈研究員課題組和何奕副教授課題組聯(lián)合設(shè)計出一種采用特定脈沖電流為鋰金屬電池充電的方法，顯著抑制了鋰金屬負極在充電過程中枝晶的生長，大幅延長了鋰金屬電池的壽命。與直流充電相比，采用特定脈沖充電的實驗電池壽命可以增加一倍以上。作者對脈沖充電過程涉及的分子機理進行了探討?；?OPLS-AA (optimized potentials for liquid simulations-all atoms)力場8的全原子分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，脈沖充電頻率和幅值可有效調(diào)控的鋰離子溶劑化結(jié)構(gòu)特性，進而顯著影響鋰離子的擴散。掃描電鏡(SEM)結(jié)果則顯示，相較于直流充電，脈沖充電極大改善了鋰離子在電極表面的沉積，降低了鋰枝晶生長的可能性。該研究還表明，最優(yōu)脈沖比和脈沖延續(xù)時間(Ton)均為調(diào)控脈沖充電過程的關(guān)鍵參數(shù)，它們的取值與鋰離子在電解質(zhì)中的溶劑化結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要由電解質(zhì)本身性質(zhì)決定。Ton一定，延長脈沖間隙時間(Toff)并不一定能相應(yīng)提高電池壽命。

該研究成果近期已在 Science Adνances上在線發(fā)表9。該工作揭示了脈沖特征、鋰離子擴散、鋰枝晶生長這三者間存在的內(nèi)在聯(lián)系，深化了對脈沖充電過程分子機理的認識，提供了抑制鋰枝晶生長研究的新視角，同時也為設(shè)計開發(fā)新型電解質(zhì)溶液開啟了新思路。

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