天津大学杨全红教授与清华大学吕伟教授领导的一支研发团队通过简单的浸涂法,在锂金属表面制备了一种蜡-PEO(等离子体电解氧化)涂层,从而制成了一种空气稳定且防水的锂金属阳极。蜡作为一种常用的惰性密封材料,很容易就可涂覆在锂金属表面。

锂金属阳极具高比容量、低电位以及轻质量等特性,可有效提高电池的能量密度,即改用锂金属阳极将显著提升电动汽车的续航里程,以及降低用于电网能量存储的电池成本。但是,由于锂具有高化学活性,容易导致枝晶生长和空气不稳定,从而引发安全问题,因此限制其作为电极材料,得到大规模应用。

锂金属对空气中的水分和氧化成分非常敏感,会导致其表面产生氢氧化锂等绝缘性物质,即导致其电化学性能恶化。此外,当锂与水接触时,会产生氢气和热量,从而可能会引发起火或爆炸。而锂金属的此种敏感性对于锂金属阳极的运输、存储和加工都提出了更高的要求。因此,迫切需要研发出一种空气稳定,且能够防水的锂金属阳极,以让未来锂金属阳极能够真正得到应用。

在电子设备领域,利用包装技术,可以保护电子元件免受潮湿空气和水的物理伤害和腐蚀,这也为如何保护锂金属提供了设计思路。

研究人员研发的蜡基复合涂层可防止锂金属在空气和水中产生不良反应。在电池中,此类涂层减缓了电解液对锂金属阳极表面的腐蚀;而均匀分布的PEO确保了锂离子在界面上能够均匀导电,抑制了锂枝晶的生长。

在蜡-PEO涂层的保护下,锂金属表面在相对湿度为70%的空气中,24小时内都没有发生变化,高比容量保留率为85%。而且即使其与水直接接触,也没有起火燃烧或者容量出现衰减。锂金属阳极涂覆了该涂层后,在对称电池中,在长达500个小时的时间内都保持了稳定性,并且由涂覆了该涂层的锂金属阳极制成的锂硫电池在300次充放电循环中,每次循环后,该电池容量衰减率低至0.075%。

此次研究演示了一种用于空气稳定和防水锂金属阳极的高效封装技术,该技术易于扩展,且适用于其他敏感型电极材料。