發(fā)展高能量密度的鋰硫電池對于下一代電化學(xué)儲能具有很好的應(yīng)用前景。但是，由于金屬鋰負(fù)極自身SEI層的不穩(wěn)定導(dǎo)致在其在循環(huán)過程中金屬鋰枝晶不斷的生成及生長，從而極大的限制了金屬鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。復(fù)旦大學(xué)的傅正文教授課題組和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳劍研究員通過一種簡易且可大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的方法(氮等離子體輔助電子束蒸發(fā)沉積)在金屬鋰負(fù)極上建立致密均勻的LiPON保護(hù)層。該方法可使LiPON的沉積速率高達(dá)66nm/min。對于金屬鋰，LiPON作為一層具有高離子電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定和機(jī)械強(qiáng)度的保護(hù)層，可以在有效抑制金屬鋰與有機(jī)電解液間的腐蝕反應(yīng)的同時(shí)并促進(jìn)了金屬鋰均勻的沉積或溶出，從而實(shí)現(xiàn)金屬鋰對稱電池在3mA/cm2的電流密度下穩(wěn)定循環(huán)超過900圈且無任何金屬鋰枝晶形成。不僅如此，采用LiPON包覆的金屬鋰作為負(fù)極，還可以制備~300Wh/kg的高性能鋰硫軟包電池(硫載量7mg/cm2)。該文章發(fā)表在國際知名期刊EnergyStorageMaterials上。

圖1(a)采用卷對卷大規(guī)模制備LiPON-coatedLi負(fù)極和(b)LiPON-coatedLi在鋰硫電池中性能的示意圖

圖2(a)LiPON-coatedLi負(fù)極的SEM圖。插入的圖為LiPON-coatedLi負(fù)極的光學(xué)照片。LiPON-coatedLi負(fù)極的(b)截面和(c)高分辨SEM圖，相應(yīng)的(d)O,(e)P和(f)N元素分布圖。(g)包覆和未包覆的金屬鋰負(fù)極在金屬鋰對稱電池中靜置2h后的電化學(xué)阻抗譜圖。(h)根據(jù)(g)中的等效電路圖計(jì)算得到SEI層的離子電導(dǎo)率。(i)在極化電壓為1V的條件下LiPON樣品的電流時(shí)間曲線。

圖3包覆和未包覆的金屬鋰負(fù)極在不同電流密度下的對稱電池循環(huán)性能圖及循環(huán)后的SEM圖。

圖4LiPON-coatedLimetal負(fù)極在(a)1Msulfur/DME溶液和0.5MLi2S6/DME溶液的穩(wěn)定性測試

圖5包覆和未包覆的金屬鋰負(fù)極在鋰硫電池中的電化學(xué)性能圖