近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其研究團隊提出一種通過同步預合金化與構筑人造固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜的策略，顯著改善了高容量鋁金屬負極的穩(wěn)定性，并成功用于高性能鋰離子雜化電容器。相關研究成果以"Simultaneously pre-alloying and artificial solid electrolyte interface towards highly stable aluminum anode for high-performance Li hybrid capacitor"（同步預合金化以及人造SEI膜構筑的鋁負極用于高性能鋰離子雜化電容器）為題在線發(fā)表于國際著名材料期刊Energy Storage Materials（DOI: 10.1016/j.ensm.2020.03.021, CiteScore:15.09）上。
相比較于傳統(tǒng)石墨負極，合金化負極如硅、鋁、錫等具有高的理論比容量，有利于進一步提高電池的能量密度。以鋁負極為例，其合金化容量達到993 mAh g-1（LiAl）， 約為石墨負極的2.7倍。然而，合金化負極在充放電過程中往往面臨著嚴重的體積膨脹（Si: ~300%； Al: ~97%； Sn: ~260%），從而造成電極粉化，導致電池循環(huán)穩(wěn)定性不佳。
鑒于此，唐永炳研究員及其團隊成員歐學武、張閣等人在考察了不同添加劑與多種負極的匹配行為后，選擇一種含氟鋰鹽（LiDFOB）作為添加劑對鋁負極進行同步預合金化和構筑人造固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜處理。該添加劑可以通過開環(huán)反應進行聚合，有助于在鋁負極表面形成富LiF的人工SEI膜，從而提高SEI膜的穩(wěn)定性。此外，LiAl合金層可以補償鋰離子在充放電過程中的不可逆損耗，從而提高鋁負極的循環(huán)性能。將上述改性鋁負極與活性炭正極進行匹配后成功構筑出一種新型鋰離子雜化電容器，該雜化電容器在1.5-4.5 V的電壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出高達123.6 mAh g-1的比容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，2000次循環(huán)后的容量保持率為~86%。該工作對優(yōu)化合金化負極穩(wěn)定性以及構建新型儲能器件具有指導意義。
該研究得到了國家自然科學基金，廣東省科技計劃、深圳市科技計劃等項目資助。
（a）通過同步預合金化以及構筑人造SEI膜提高鋁負極循環(huán)穩(wěn)定性的機制；（b）DFOB-在鋁負極表面的還原機制以及DFOB-接受電子后的電荷差分圖；（c）DFOB-通過開環(huán)反應進行還原和聚合的機制。
來源：中國科學院深圳先進技術研究院