發(fā)展高能量密度的鋰硫電池對于下一代電化學儲能具有很好的應(yīng)用前景。但是，由于金屬鋰負極自身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極的實際應(yīng)用。復(fù)旦大學的傅正文教授課題組和中國科學院大連化學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)在金屬鋰負極上建立致密均勻的LiPON保護層。該方法可使LiPON的沉積速率高達66nm/min。對于金屬鋰，LiPON作為一層具有高離子電導(dǎo)率、化學穩(wěn)定和機械強度的保護層，可以在有效抑制金屬鋰與有機電解液間的腐蝕反應(yīng)的同時并促進了金屬鋰均勻的沉積或溶出，從而實現(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負極和(b)LiPON-coatedLi在鋰硫電池中性能的示意圖

圖2(a)LiPON-coatedLi負極的SEM圖。插入的圖為LiPON-coatedLi負極的光學照片。LiPON-coatedLi負極的(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極在金屬鋰對稱電池中靜置2h后的電化學阻抗譜圖。(h)根據(jù)(g)中的等效電路圖計算得到SEI層的離子電導(dǎo)率。(i)在極化電壓為1V的條件下LiPON樣品的電流時間曲線。

圖3包覆和未包覆的金屬鋰負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極在鋰硫電池中的電化學性能圖