藕狀結構實現具有高鋰載量無枝晶鋰負極的技術解析 _知識百科

【引言】
日益嚴重的化石燃料短缺和環境污染引起了對可再生能源的需求，推動了可再生能源技術的快速發展。在二次電池系統中，鋰金屬電池因很高的理論比容量（3860 mAh g-1）和較低的氧化還原電位（-3.04V）受到越來越多的關注。但是由于鋰金屬電池中鋰枝晶的生長可能導致“死鋰”和電池短路，從而導致電池危險性增加、容量減少。
【成果簡介】
華中科技大學黃云輝教授等證明了具有適當的內外半徑比的空心碳納米纖維，可以使鋰離子選擇性沉積在內表面。基于該原理，作者設計了一種藕狀結構實現了具有高鋰載量的無枝晶鋰負極。蓮藕狀的碳納米纖維陽極并包覆LiNafion作為人工SEI膜，實現了3600mAh的容量并提高了庫倫效率。作者認為對鋰離子沉積與基體幾何關系的認識將為鋰電池系統中混合鋰陽極的合理設計提供新思路。該成果以“A Strategy of Selective and Dendrite-Free Lithium Deposition for Lithium Batteries”為題發表在Nano Energy上。
【圖文導讀】
圖1 鋰沉積的模擬結果

文章插圖

(A) 鋰離子在不同的內外半徑空心碳納米纖維中沉積的模擬及實驗結果鋰沉積的模擬結果
(B)(C)(D) 1mAh鋰沉積在8:10,5:10,1:10的半徑比下的掃描電鏡圖像
注：插入圖為在1mAh鋰沉積在碳納米纖維TEM圖像顯示
圖2 LCNF模擬圖和顯微圖像

文章插圖

(A),(B),(C),(D) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的示意圖
(E),(F),(G),(H) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的TEM圖像
(I),(J),(K),(L) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的SEM圖像
圖3 微觀形貌圖

文章插圖

(A),(B） LCNF@Nafion的SEM圖像和TEM圖像
(C1) LCNF@Nafion單纖維STEM圖片
【藕狀結構實現具有高鋰載量無枝晶鋰負極的技術解析】(C2) 相應的線性EDX元素分布
(D) LCNF@Nafion切片示意圖
(E) LCNF@Nafion切片圖像,插圖給出了不含Nafion的LCNF切片
(F1) LCNF@Nafion切片TEM圖像
(F2) 相應的線性EDX元素分布
(G),(H) Li-LCNF@LNafion在電流密度為1mA cm-2 ， 8mAh cm-2時循環30圈后的SEM,STEM圖像
(I1) 單纖維LCNF@LNafion的STEM圖像
(I2) 相應的線性EDX元素分布
圖4 庫倫效率及比容量曲線

文章插圖

(A1),(A2) LCNF@LNafion在1mA cm-2時的庫倫效率，比容量曲線
(B1),(B2) LCNF@LNafion在2mA cm-2時的庫倫效率，比容量曲線
(C1),(C2) LCNF@LNafion在5mA cm-2時的庫倫效率，比容量曲線
(D1),(D2) LCNF@LNafion在8mA cm-2時的庫倫效率，比容量曲線
圖5 循環性能圖

文章插圖

(A) LCNF/LNafion（紅）和Li/Li（黑）電池以1 mA cm-2時的電流密度恒流循環
(B) LCNF/LNafion（紅）電極和SCNF（黑）電極在1 mA cm-2時的電流密度下的循環性能
(C) LiPO4/LI-LCNF@LNation電池的循環性能
【小結】
本文通過設計陽極表面結構控制Li枝晶生長，研究結果表明具有適當的內外半徑比的空心碳納米纖維可以控制鋰枝晶。作者發現藕狀碳納米纖維基體使鋰優先在內層表面沉積，因此穩定的碳殼層可以阻擋鋰枝晶生長。此外，多通道結構也賦予LCNF陽極具有高承載鋰能力。由于Nafion SEI的存在， Li-LCNF陽極實現了3600mAh的容量并提高了庫倫效率（達到99%以上）。同時，磷酸鐵鋰與Li-LCNF@LNafion組成的電池也表現了優秀的電化學性能，作者認為對鋰離子沉積與基體幾何關系的認識將為鋰電池系統中混合鋰陽極的合理設計提供新思路。