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金属锂负极在空气中不稳定和枝晶生长问题是制约其大规模应用的两大瓶颈。
针对上述问题，天津大学杨全红教授团队(NanoYang课题组)与清华大学深圳研究生院吕伟副研究员团队合作开发了一种在大气环境和电池中皆具有高稳定性的金属锂负极。受电子封装中的防水阻氧涂层技术的启发，研究团队利用密封用的石蜡与聚氧化乙烯（PEO）复合构筑了锂金属表面的保护涂层，有效避免了金属锂与环境中的氧化性物质和电池中电解液的直接接触，显著提高了锂金属的稳定性。更重要的是，该金属锂在与水直接接触时也无明显的表面反应发生。与此同时，均匀分布的PEO可以实现锂离子的均匀传输，有效抑制了枝晶生长，保证了金属锂负极在锂硫电池中的良好电化学性能。
借力封装做彩裳，涂层石蜡护锂元。
偶得妙笔成他美，洞里水帘似等闲。
金属锂负极具有高的理论比容量（3800 mA hg–1）和低的电位（–3.04 V (氢标电位)），有望大幅提升现有锂离子电池的能量密度。然而，锂枝晶生长导致的安全性差、化学活性高导致空气稳定性差等问题严重阻碍了其大规模实用化进程。锂对空气中的水分和氧化性组分极为敏感，反应产生的绝缘产物，如氢氧化锂等，会堆积在金属锂表面，降低其电化学性能。更为严重的是，如果锂不慎与水接触，会发生剧烈的产氢、产热反应而发生燃烧爆炸。这使得锂金属对运输、存储和加工过程的操作工艺、设备与环境要求苛刻，因而提高金属锂在环境中的稳定性是其未来规模化应用中所必须要解决的重要问题。
Fig. 1. The diagram and characterizations of the wax-PEO coating. (a) Diagram of the functions of the wax-PEO coating; SEM images of the Li-wax-PEO surface (b) and its magnified area (c); (d) the cross-section image of the Li-wax-PEO; (e) XRD patterns of Li-PEO, Li-wax and Li-wax-PEO; (f) IR spectrum of Li-wax-PEO; (g, h) elemental distributions in the wax-PEO coating for carbon and oxygen.
在电子行业中，封装技术被广泛用于保护电子元件免受物理损坏和水分腐蚀，这为金属锂的保护提供了一种设计思路。受此启发，天津大学杨全红教授团队与清华大学深圳研究生院吕伟副研究员合作，通过简单的沾涂工艺在锂金属表面构建了一层石蜡与聚氧化乙烯（PEO）的复合保护涂层，获得了一种在环境和电池中均具有良好稳定性的金属锂负极。石蜡作为一种常用的惰性密封材料具有良好的阻隔性能，也易于在各种表面成膜。在水氧环境下，这种基于石蜡的复合涂层可以有效防止金属锂负极表面发生腐蚀反应。同时，在电池中，上述涂层能够阻隔金属锂表面与电解液的直接接触，从而有效抑制锂负极表面的副反应。而石蜡基体中均匀分布的PEO则提供了均匀分布的离子传输通道，帮助实现了锂离子的均匀沉积，从而有效抑制了枝晶生长。
Fig. 2. Test results for Li and Li-wax-PEO in lithium-sulfur cells. The surface morphologies of (a) the Li anode and (b) the Li-wax-PEO anode after 50 cycles; (c) EIS of the two anodes after 50-cycles; (d) the charge and discharge curves of cells with a Li anode and a Li-wax-PEO anode at the 2nd and 150th cycles; (e) comparison of the cycling performance of cells with Li and Li-wax-PEO anodes.
在该涂层的保护下，金属锂在相对湿度高达70%的空气中能够稳定静置24h，并保持了相当于静置前金属锂85%的电化学容量。即使在与水直接接触后，受保护的金属锂也没有出现燃烧或是容量衰减的现象。该金属锂负极在对称电池中可以稳定循环500h，在锂硫电池中则能够以低至0.075%的容量衰减率进行300次以上循环。上述工作展示了一种可有效提高金属锂负极稳定性的封装思想，对推动金属锂负极的规模应用和改善其他空气敏感材料的性能具有重要的指导意义。
该项目由国家杰出青年科学基金提供支持(51525204)，广东省自然科学杰出青年基金(2017B030306006)。
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