生物質納米材料讓金屬鋰電池更安全
發布日期： 2020-02-08 供稿：中國科學報
編輯：吳楠 審核：王征 閱讀次數：原文標題：生物質納米材料讓金屬鋰電池更安全
原文鏈接：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/2/353110.shtm
金屬鋰因其具有超高的理論比容量和最低的電極電勢，被認為是構建高比能電池電極的“圣杯”材料。與現有商業化的鋰離子電池相比，基于金屬鋰為負極的鋰金屬電池（LMBs）極大提高了電池的理論能量密度，展現出滿足新興行業對于高能量密度需求的巨大潛力。
近日，清華大學教授張強、北京林業大學教授袁同琦、北京理工大學研究員黃佳琦聯合倫敦帝國理工學院教授瑪麗亞·瑪格達萊娜·蒂蒂里奇，在Materials Today Nano上發表綜述文章，在加深對鋰負極化學理解的基礎上，介紹了基于生物質納米材料的鋰金屬負極保護策略的最新研究成果，并對未來的發展方向進行了展望。
研究人員表示，金屬鋰負極存在的鋰枝晶生長不可控、界面SEI膜不穩定等問題限制了鋰金屬電池的商業化進程。天然生物材料具有低成本、環境友好、結構豐富等優勢，且其衍生的納米材料能很好地繼承天然材料的優異特性，在穩定界面SEI及調控負極鋰枝晶生長方面具有很大的應用潛力。
文章指出，人工保護層天然生物質高聚物膜具有較高的機械強度以及豐富的官能團等物理化學特性，在構筑人工保護層方面具有優勢。一方面可以通過天然聚合物高機械模量來抑制枝晶的生長；另一方面，也可以利用聚合物骨架中豐富的極性官能團來調控鋰離子的均勻沉積。
隔膜生物大分子則具有豐富的孔結構和表面極性官能團，被廣泛用來對傳統隔膜修飾改性或設計生物質基新型隔膜，以提高隔膜的潤濕性和離子通量，實現鋰離子的高效電化學沉積。
而聚合物電解質天然生物聚合物具有豐富的化學基團、較高的機械彈性和化學穩定性，可以通過物理化學交聯或作為聚合物電解質載體，以提高聚合物電解質的機械性能和離子電導率，從而獲得高效穩定的鋰負極界面。
功能骨架天然生物材料衍生的納米碳材料則具有豐富多孔結構、高導電性能和結構多樣化等優勢，在構建功能性骨架或鋰金屬負極宿主等方面具有重要的應用前景。
該綜述在可持續的天然生物質材料和鋰金屬負極保護之間搭建了一座橋梁，推進生物質納米材料在高能量密度LMBs和其他先進儲能系統中的應用。
據了解，張強團隊在能源材料化學領域，尤其是金屬鋰負極、鋰硫電池和電催化方向，已經開展了眾多引領性的研究工作。在金屬鋰負極領域，該團隊利用原位方法研究固液界面膜，并通過納米骨架、人工SEI、表面固態電解質保護膜等手段調控金屬鋰的沉積行為，抑制鋰枝晶的生長，實現金屬鋰的高效安全利用。相關研究工作已發表于《德國應用化學》《美國化學會志》《先進功能材料》《美國科學院院報》等多個期刊。
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