摘要
目前商用锂离子电池已难以满足现有市场对高能量密度的需求，发展下一代高比能电池势在必行。在下一代高比能电池中，可充电锂金属基电池(LMBs)作为高能量密度电池成为了新的研究热点。然而，LMBs因其在锂金属负极上形成不均匀的锂枝晶而导致的一系列隐患阻碍了其实际应用。锂枝晶的抑制已成为了构建高性能LMBs的主要挑战。锂枝晶生长的基本原理包括电解质中阳离子/阴离子的传输、负极上的电子耦合Li+转移以及负极-电解质界面的化学/机械演化。基于上述原理，如何较好实现锂枝晶的生长有效控制是LMBs面临的主要问题。为此不少研究人员进行了许多卓有成效的研究工作，然而锂枝晶的问题仍然十分突出，需进一步加深理解和研究。 本研究提出了一种采用磁控溅射技术将类金刚石(DLC)涂层沉积于聚丙烯(PP)隔膜之上，将PP-DLC隔膜组装至锂金属电池后，通过原位化学锂化的策略使之转变为具有锂离子导通性能的超高模量类金刚石PP复合隔膜(PP-DLC)。DLC涂层具有优异的耐化学腐蚀性、电绝缘性和高杨氏模量(~100GPa)，可利用其高的杨氏模量有效阻止Li枝晶的生长(锂枝晶的杨氏模量为~6.9GPa)。此外，这种高模量PP-DLC隔膜使锂金属负极获得了前所未有的循环效率，且在长循环后，保持了几乎完整的结构。其中，基于PP-DLC隔膜Li||Li对称电池显示出均匀的无枝晶Li沉积，Li||Cu半电池在循环450圈后仍有98.7%的库仑效率，Li||NCM/LFP全电池即使在高正极负载下(~9mgcm-2)也呈现较好的长循环稳定性。 本文利用理论计算和实验分析相结合的方法研究了PP-DLC复合隔膜实现无枝晶锂负极的作用机理。DLC作为一种典型的非晶态材料，具有各向同性，因此锂化后的DLC涂层可以作为锂离子的传导通道，使得锂离子在通过隔膜以后能够实现在锂负极表面的均匀沉积。为此，我们利用第一性原理理论计算，证明当锂金属接触电子绝缘的DLC薄膜以后会被逐渐锂化，从而将DLC涂层转变为快速的锂离子导体。我们通过电池组装后隔膜的XPS和GD-OES分析证实了上述结论。最后，采用有限元方法(FEM)模拟了Li+通过PP-DLC隔膜的扩散行为，结果表明PP-DLC隔膜能均匀地重新分配Li+，促进Li+在金属锂负极上的均匀成核，抑制锂树枝晶的生长。
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