一種可同步構筑親-疏鋰相的3D骨架助力鋰金屬負極
發布時間:2019-07-02 17:15:04
關鍵詞:動力電池鋰電池

一種可同步構筑親-疏鋰相的3D骨架助力鋰金屬負極


本文亮點


1.報道了一種同步構筑親鋰-疏鋰復合相3D多孔結構的制備方法,結合硬模板法和共沉積法在泡沫銅基底上制備準有序多孔結構,利用柯肯達爾效應在多孔疏鋰相表面修飾了均勻的親鋰相納米顆粒。

2.該結構中,多孔疏鋰相提供了大的比表面積以及高的機械穩定性,納米尺度的親鋰相為金屬鋰提供了豐富的沉積位點,極大降低了鋰沉積的形核過電位。

3.基于該結構設計,獲得了低過電勢(20 mV)和高達1200h的優異循環穩定性的無枝晶鋰負極,在與磷酸鐵鋰或硫化聚丙烯腈正極組裝的全電池測試中展現了較好的倍率性能與循環性能。


研究背景


金屬鋰具有高的理論容量(3860mAh/g)和低的反應電勢(-3.04 V)被認為是最理想的鋰電池負極材料。然而在電池循環過程中,鋰的不均勻沉積容易產生“鋰枝晶”而刺穿隔膜,造成電池短路甚至引起爆炸,此外鋰在脫附時易造成枝晶折斷而形成“死鋰”,引發負極粉化,極大降低電池容量。將金屬鋰引入一個具有高比表面積的穩定骨架中,使鋰的沉積脫附發生在骨架內以適應循環過程中鋰負極的體積變化,是提升鋰金屬負極穩定性很有前景的策略。已有一系列穩定鋰金屬的多孔骨架相繼被報道(導電材料如多孔銅、碳納米管等,非導電材料如多孔三聚氰胺、聚乙烯醇納米線等),其豐富的孔通道、高的機械穩定性確實使鋰負極的穩定性得到提升,但所制備的材料與鋰有較大的晶格錯配而顯示疏鋰特性,一定程度上會造成鋰在多孔結構中的不均勻沉積。研究表明,在多孔骨架表面作親鋰化修飾可顯著促進鋰的均勻沉積,因此如何在多孔骨架中均勻地修飾親鋰材料是復合鋰負極制備的一大難點。


成果簡介


基于上述考慮,廣東工業大學施志聰教授與澳大利亞伍倫貢大學郭再萍教授(共同通訊作者)在Nano Energy發表了題為“Lithiophobic-lithiophilic Composite Architecture through Co-deposition Technology toward High-Performance Lithium Metal Batteries”的文章,提出了一種制備親-疏相雙連續多孔骨架的通用方法。該骨架促進了鋰金屬的均勻沉積,有效地抑制鋰枝晶的生長,所制備的復合鋰負極展現了超長的循環壽命。文章第一作者為廣東工業大學博士生程乙峰。


圖文導讀


圖一:材料合成示意圖及3D多孔復合相的材料表征


作者在之前制備多孔銅工作的基礎上(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 18, 13552-13561),構筑了不同的多孔銅合金,利用微納尺度上金屬熱擴散速率的不同,通過熱處理將合金中的親鋰元素“擠出”且在基底表面富集得到親鋰相(鋅、錫等),疏鋰的銅相仍保持穩定的多孔結構,從而得到親鋰-疏鋰的復合多孔結構。通過XRD、SEM和TEM測試表征了復合結構的形成過程。


圖二:金屬鋰在不同基底上的形核過電位及沉積形貌


通過制備5種不同的多孔基底,表征了鋰在不同基底上的形核過電位及沉積形貌,其中復合多孔基底的鋰形核過電位最低(9 mV),且鋰在復合結構中呈現了均勻無枝晶的沉積形貌。


圖三:循環后電極表面形貌及鋰半電池庫倫效率和阻抗表征


通過表征循環后電極的表面形貌,可以看到疏鋰的銅相起到了很好的機械支撐作用。所制備的復合電極呈現了更高的庫倫效率以及更低的界面阻抗。


圖四:復合鋰負極的電化學性能


將所制備的復合鋰負極與磷酸鐵鋰正極組裝成全電池進行測試,該負極在850mA/g的電流密度下循環1600圈,容量沒有明顯的下降。同樣地,在鋰-硫化聚丙烯腈全電池中仍展現很好的循環性能。


總結與展望


在本工作中,作者制備了一種同步構筑的親-疏鋰相3D骨架。在構建疏鋰骨架的同時對其進行親鋰性修飾,能夠很好地將鋰金屬引入復合多孔結構中,所制備的復合鋰金屬負極展現了超長的循環壽命,并在全電池測試中呈現了良好的電化學性能。該工作為簡單易得、價格低廉的復合鋰負極的制備提供一個新思路。


稿件來源: 清新電源
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