清華大學(xué)深研院呂偉EES:聚二甲基硅氧烷涂層穩(wěn)定鋁金屬負極

論文簡介

本論文詳細探討了鋁基電池作為低成本大規(guī)模能量存儲解決方案的潛力，特別是針對鋁金屬負極（AMA）在實際應(yīng)用中面臨的循環(huán)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。研究團隊通過引入經(jīng)典的金屬電沉積理論，提出了交換電流密度與極限電流密度的比值作為關(guān)鍵參數(shù)，并開發(fā)了一種具有精確調(diào)控厚度的聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層，以有效平衡界面反應(yīng)和質(zhì)量傳輸，實現(xiàn)了鋁的均勻電沉積。這項工作不僅為鋁電沉積提供了新的理解，還為構(gòu)建長期穩(wěn)定性鋁基電池提供了實用策略。

研究背景

鋁金屬負極（AMA）因其高理論體積容量（8046 mAh cm-3）和高理論比容量（2980 mAh g-1）而備受關(guān)注。然而，AMA的實際應(yīng)用受到其在低面積容量和小電流密度下快速短路和粉碎問題的挑戰(zhàn)，這主要是由于鋁的非平面沉積行為比其他金屬更為嚴重。這種不均勻的電沉積通常會導(dǎo)致大的鋁晶?；蜾X枝晶的形成，進而導(dǎo)致鋁剝離不完全和死鋁積累，最終穿透隔膜。盡管已有一些策略被提出來解決其他金屬負極的類似問題，例如使用三維宿主分散電流密度、構(gòu)建親鋁表面以形成均勻的成核等，但由于鋁的高楊氏模量，這些策略在抑制鋁枝晶生長方面面臨挑戰(zhàn)。此外，與活性金屬負極不同，鋁金屬在典型的離子液體電解質(zhì)中并不那么容易形成固體電解質(zhì)界面（SEI），因此其他策略如引入電解液添加劑或人工SEI以調(diào)節(jié)界面反應(yīng)動力學(xué)，以及引入溶劑降低電解液粘度和提高離子擴散等，都未能令人滿意地穩(wěn)定AMA。因此，如何在大電流密度和面積容量下指導(dǎo)鋁的均勻電沉積，以滿足實際應(yīng)用需求，仍是一個挑戰(zhàn)。這項研究基于經(jīng)典的金屬電沉積理論，探索了鋁電沉積行為，并提出了通過調(diào)節(jié)交換電流密度（i0）/極限電流密度（iL）來實現(xiàn)鋁金屬均勻電沉積的新策略。

圖文導(dǎo)讀

Figure 1：展示了不同i0/iL比值下的極化曲線，以及通過PDMS涂層層調(diào)節(jié)的電沉積行為。說明了i0/iL比值對金屬沉積行為的影響，以及PDMS涂層如何通過改變i0/iL比值來調(diào)控電沉積形態(tài)。

Figure 2：描述了Al2Cl7-在PDMS中的傳輸機制。包括PDMS形成離子傳輸通道的示意圖、不同時間浸泡在離子液體中的PDMS的27Al NMR譜圖、XPS譜圖，以及通過EIS測量得到的Nyquist圖和等效電路圖。這些結(jié)果揭示了離子液體如何通過PDMS層傳輸，以及PDMS層對Al2Cl7-傳輸?shù)挠绊憽?/p>

Figure 3：展示了通過不同厚度的PDMS層調(diào)節(jié)i0/iL的效果。包括PDMS層的FIB-SEM橫截面圖像、對稱電池在不同電流密度下的充放電曲線、i與PDMS層厚度的關(guān)系圖、Tafel圖以及i0/iL的比較圖。說明了PDMS層厚度對電化學(xué)沉積行為的影響。

Figure 4：展示了在不同電流密度和沉積容量下，PDMS涂層對Al電沉積行為的影響。包括在原始銅和PDMS-Cu上的Al沉積的SEM圖像，以及不同電流密度下Al沉積粒徑分布的圖表。

Figure 5：展示了PDMS涂層對電化學(xué)性能的影響，包括不同電流密度和沉積容量下的Al||Cu半電池的庫侖效率（CEs）、對稱電池的循環(huán)性能，以及與人造石墨正極組合的全電池的性能。這些結(jié)果表明，PDMS涂層顯著提高了AMA的循環(huán)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。

總結(jié)與展望

研究團隊通過精心設(shè)計的聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層，可以有效地穩(wěn)定鋁金屬負極（AMA），實現(xiàn)均勻且均勻的鋁電沉積。這種設(shè)計基于調(diào)控交換電流密度（i0）與極限電流密度（iL）的比值，該比值是評估界面反應(yīng)和Al2Cl7-質(zhì)量傳輸?shù)囊粋€重要參數(shù)。通過將PDMS涂層的厚度精確調(diào)整至1.0微米，研究團隊實現(xiàn)了最低的i0/iL比值，從而在高電流密度和沉積容量下獲得了出色的庫侖效率（99.9%）和長達2800小時的穩(wěn)定循環(huán)性能。此外，與人造石墨正極結(jié)合的全電池展示了穩(wěn)定的放電容量和高庫侖效率，且在2500個循環(huán)中沒有明顯的容量或效率衰減。這項工作不僅為鋁電沉積的原理提供了新見解，還為其他金屬負極（如Li、Mg、Ca、Zn）的界面調(diào)控提供了可行的設(shè)計策略。