金属锂负极比容量高达3,861mAhg^-1，而且还具有最低的电化学势（-3.04V），是最具有前景的高比能量锂电池负极材料。目前限制金属锂在高比能电池中的实际应用的主要问题是金属锂的枝晶生长，其会导致循环寿命短和安全性能差等严重问题。　　



　　图1 富锂合金层保护机理示意图

　　有鉴于此，加拿大滑铁卢大学的Linda F. Nazar课题组通过将金属锂浸泡在一系列的金属氯化物溶液中，在金属锂表面原位合成富锂合金层（Li₁₃In₃, LiZn, Li₃Bi, or Li₃As）和氯化锂（如图1）。富锂合金层的功能不同于以往文献报道的合金作为锂源在循环过程中膨胀/收缩导致结构破坏，其是作为锂离子的快速通道存在，锂源由合金层下的本体金属锂提供。同时富锂合金层因为氯化锂的存在而变得绝缘，避免了金属锂在表面沉积，而是在合金层与本体金属锂的相间沉积。原位光学成像实验证实了金属锂沉积位置发生在相间而非表面。富锂合金层与氯化锂二者协同作用，有效抑制了锂枝晶生成，使得该体系能在大电流密度（2mAcm^-2）下稳定循环700圈（1400h）。将此保护后的金属锂负极与Li₄Ti₅O₁₂组装全电池，实现了1,500圈长循环。　　



图2 富锂合金层保的表征

　　XRD表明了经过系列金属氯化物溶液处理过的金属锂箔表面的物相情况（a）；SEM和EDS则指示了富锂合金层的厚度及元素In和Cl在合金层中的均匀分布（b,c,d,e,f,g,h）。　　



图3 SEM和原位光学成像

　　在金属锂箔（a）和Li₁₃In₃保护的锂箔（b）上分别沉积2mAhcm^-2后SEM表面；沉积金属锂前的富锂合金/锂复合物的截面图（c）；沉积2mAhcm^-2金属锂后的富锂合金/锂复合物的截面图（d）及对应的反散射电子图（e）；透明对称电池中不同循环圈数的金属锂箔（f）和Li₁₃In₃保护的锂箔(g)的原位光学成像图。　　



图4 电化学性能表征

　　　

作者组装了对称电池验证富锂合金层的作用。在2mAcm^-2沉积2mAhcm^-2的条件下，未处理的金属锂箔由于枝晶的生成在200h的循环过程中短路（a）；富锂合金层(Li₁₃In₃ b和LiZn|Li c)保护的金属锂则在超过1,000 h的循环过程中保持稳定的电压，未出现短路的现象。稳定的循环性能表明了富锂合金层对沉积的金属锂的有效保护。将处理前后的锂负极与Li4Ti5O12组装全电池，富锂合金层保护的锂负极较未处理的在循环性能及过电位上的优化。

　　相关成果最近刊登在Nature Energy上（DOI: 10.1038/nenergy.2017.119）文章题目：A facile surface chemistry route to a stabilized lithium metalanode.

　　

　　来源：中国材料网http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=81953