斯坦福大學JACS：聚合物涂層對電沉積鋰金屬的影響

【引言】

鋰電沉積技術是下一代高能量密度儲能裝置的關鍵。然而，鋰的活性導致鋰電池的循環壽命短和枝晶生長造成嚴重的安全問題。最近，許多方法用來穩定鋰金屬-電解質界面，軟聚合物涂層實現了高倍率和高容量鋰電池，但是設計和改善涂層的機制還不清楚。本文研究了鋰金屬負極上，幾種聚合物涂層的化學結構和機械性能。

【成果簡介】

近日，美國斯坦福大學的崔屹和鮑哲南（共同通訊）作者等人，在鋰沉積的早期階段，確定了聚合物涂層的化學性質對鋰顆粒的形態的影響。研究發現，聚合物介電常數和表面能對鋰沉積物尺寸具有顯著作用。其中，低表面能聚合物能夠導致小表面積的大沉積物形成。原因是涂層與鋰表面之間的相互作用減少和界面能的增加。另外，聚合物的高介電常數增加了交換電流，固定電流密度下，過電勢的降低能夠產生更大的鋰沉積物。同時，每種聚合物都有特定的優化厚度，聚合物功能對電池庫侖效率有顯著影響。因此，這項工作為鋰電沉積工藝提供了新思路，為穩定的鋰負極聚合物涂層設計提供了方向。相關成果以“Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal”為題發表在Journal of the American Chemical Society上。

【圖文導讀】

圖 1 聚合物涂層的化學結構及其表面Li生長條件圖

（a）聚合物涂層的化學結構；

（b）聚合物涂層下，初始階段Li生長的條件圖。

圖 2 電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像及其粒度直方圖

（a-d）在銅上，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像，及其SHP涂層的粒度直方圖；

（e-g）在銅上，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像，及其PVDF涂層的粒度直方圖。

圖 3 SHP和SHE共價交聯結構及其涂層SEM圖像

（a）SHP和SHE共價交聯的動態交聯化學結構；

（b，c）涂有超分子適應性涂層的SEM圖像；

（d，e）涂有共價交聯的自愈合彈性體的SEM圖像。

圖 4 在銅上各種涂層，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像

（a）銅上無聚合物涂層，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像；

（b）銅上PEO涂層，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像；

（c）銅上PVDF涂層，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像；

（d）銅上SHP涂層，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像；

（e）銅上PU涂層，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像；

（f）銅上PVDF-HFP涂層，電沉積0.1 mAh/cm²鋰的SEM圖像。

圖 5 各種聚合物涂層的性質與沉積鋰的關系

（a）各種聚合物涂層的交換電流密度與介電常數的關系圖；

（b）在各種聚合物涂層下，沉積Li的平均直徑與表面能的關系圖。

圖 6 聚合物涂層影響Li沉積金屬的條件示意圖

圖 7 各種聚合物涂層的庫侖效率圖

【小結】

在聚合物涂層和Li沉積和生長的初始階段，發現聚合物涂層的化學性質對Li電沉積有顯著影響。聚合物涂層的化學性能影響Li沉積的形貌，涂層機械性能（包括模量和流動性）和均勻性對于整體沉積質量仍然非常重要。另外，各涂層的介電常數和Li⁺離子的溶劑環境決定了含有聚合物涂層的交換電流；聚合物涂層的Li-聚合物界面的表面能、交換電流對成核和介電常數對Li顆粒的尺寸起決定作用；涂層厚度和反應性對涂層性能的影響。未來，新涂層應具有高介電常數、低表面能和低反應性；涂層可溶于非極性溶劑中或低于鋰熔點下加工。這允許直接涂覆在Li金屬表面上，有助于制備無負極的鋰電池。本文的研究為系統開發軟有機涂層的提供了起點，有助于以高速率和長時間均勻和可逆地鋰沉積。

文獻鏈接：Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal（JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b06047）。

本文由材料人新能源編輯部張金洋編譯整理。

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