我科学家仿硅藻土多级结构研制高性能固态锂电池

记者从中国科学技术大学获悉，该校姚宏斌课题组和俞书宏教授领导的研究团队，受硅藻土具有的多级结构特征的启发，以天然硅藻土为模板成功制备了结构稳固、无枝晶生长的多级结构锂金属固态复合负极，基于该锂金属复合负极构筑的固态锂金属电池表现出优异的电化学性能。研究成果6月6日发表于《自然·通讯》上。锂金属电池的商业化一直受限于安全问题和有限的循环寿命。使用新型不易燃的固态电解质替换传统易燃的有机电解液，可以显著降低锂金属电池起火和爆炸的风险。但由于固态电解质和电极材料之间有限的固固界面接触，使得固态锂金属电池的电化学性能受限，满足不了实际应用的需求。科研人员首先通过镁热还原法将天然的硅藻土转化为具有多级孔道结构的硅框架。随后，将该多级结构硅框架与熔融态的锂金属混合并充分搅拌反应制得锂-硅复合粉体。然后，采用聚环氧乙烷基聚合物固态电解质对锂-硅粉体进行表面修饰。最后，通过冷压工艺将上述粉体在模具中压制成具有多级结构的复合锂金属负极。在复合锂金属负极中，锂金属是嵌在 修饰的框架的孔道结构之中，从而提升了其与电解质的接触面积，有利于得到更均匀的锂离子流，保持了电极结构的完整性。基于硅藻土多级孔道结构模板，研究人员成功构筑了多级结构锂金属复合负极，在全固态锂金属电池应用中表现了突出的电化学性能。以复合锂金属负极作为固态电解质，电池在锂脱出/沉积测试中可稳定性循环超过1000小时不短路，同时极化电压可以保持在100毫伏以下。这项研究是制备高性能固态锂金属复合负极方面新的尝试，将为高比能/高安全储能器件的研制提供新的结构设计思路。