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新型金属锂负极保护层——聚二甲基硅氧烷薄膜
在锂电池材料中，金属锂负极因为其极高的理论容量被誉为负极材料中“圣杯”，但由于其循环中严重的枝晶等问题限制了其应用发展。近日，南京大学的朱嘉（点击查看介绍）教授团队首次提出将聚二甲基硅氧烷薄膜用于保护金属锂负极的界面，极大地提高了其循环性能。
过去的几十年间，广泛应用于电子便携设备中（如手机、笔记本等）的锂离子电池由于其较高的能量密度等优点逐渐成为存储领域中的“明星”。但随着电动汽车的快速发展，研究并开发更高性能的锂电池材料显得尤为关键。金属锂负极拥有极高的理论容量（3860 mAh/g），较低的密度和电位等良好的特性，使得金属锂负极成为极具前景的锂电池负极材料。然而，由于金属锂循环中会导致大量锂枝晶的生成，带来极大的安全隐患；此外金属锂负极在循环中与电解液的副反应生成固态电解质界面（SEI），由于金属锂体积的无规则的巨大变化导致此界面极其不稳定，降低了电池效率。这些问题成为了金属锂电池商业化道路上的巨大阻碍。对于这些问题，过去很多研究组提出了多种纳米结构的保护层来稳定金属锂和电解质之间的界面，从而希望提高其循环性能。试验表面，一些界面保护层确实提高了金属锂电池的循环性能，但是这些保护层的复杂合成工艺使得规模化生产成本过高，而且工艺的重复性不是很好；此外一些界面保护层所使用的材料具有较高化学活性，易与一些新型电解液发生副反应。
最近南京大学朱嘉教授课题组首次提出了以常见的价格低廉的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为金属锂负极保护层。整个合成过程只包含简便的旋涂和酸处理工艺即可制备获得多孔的不同厚度PDMS 薄膜。值得注意的是，其中酸处理得到的纳米孔洞给循环中的锂离子提供了通道；由于PDMS导电性很差，所以锂并不会沉积在其表面，而是沉积在PDMS薄膜下面的电极上，PDMS很好地分隔开了金属锂和电解质，稳定了界面，抑制锂枝晶的生长。众所周知PDMS具有极好的化学惰性，所以其与各种电解液都不发生副反应，从而可以与多种电解液兼容使用。
经过PDMS保护的金属锂负极，在半电池测试中200次的循环库仑效率稳定在95%左右（普通锂离子电池电解液）；而使用新型的电解液，效率可以提高至98.5%；在以磷酸铁锂为正极的全电池测试中，100圈的循环后磷酸铁锂的容量仍然保持在140 mAh/g 以上，库伦效率维持在99.8%左右。该工作不仅提出了一种新型的金属锂负极界面保护层，提高了其循环性能，而且由于其简便的合成工艺和低廉的材料成本为金属锂负极的规模化生产提供了新思路。
这一成果近期发表在《Advanced Materials》上，文章的第一作者是南京大学博士研究生朱斌。
该论文作者为：Bin Zhu, Yan Jin, Xiaozhen Hu, Qinghui Zheng, Su Zhang, Qianjin Wang, and Jia Zhu
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Poly(dimethylsiloxane) Thin Film as a Stable Interfacial Layer for High-Performance Lithium-Metal Battery Anodes
Adv.Mater., 2017, 29,1603755, DOI: 10.1002/adma.201603755
导师介绍
朱嘉
http://www.x-mol.com/university/faculty/22073