崔屹最新Science Advances：過鋰化介孔AlF-3框架構建用于高電流密度的金屬鋰電池負極

【引言】

鋰金屬電池由于其理論容量高、電勢低，有望代替碳基負極成為未來鋰電池發展的主流。然而，許多棘手的問題仍未解決，如脆弱的SEI膜、鋰枝晶的生長等因素都威脅著鋰金屬電池的安全使用。

最近對鋰金屬負極的研究的研究主要集中于電解液的修飾，SEI膜和隔膜改進等方面。其中一些工作集中于用鋰粉代替鋰片，設計獨特的集流體用于鋰沉積等方面。雖然這些嘗試有效地推動了金屬鋰負極工程技術的發展并解決了部分問題，但是大部分工作不能同時在循環中維持電極體積穩定并減緩枝晶的生長方面起作用。

【成果簡介】

近日，來自斯坦福大學的崔屹教授團隊（通訊作者）在著名Science子刊Science Advances上發表題為” Ultrahigh–current density anodes with interconnected Li metal reservoir through overlithiation of mesoporous AlF₃ framework”的文章，第一作者為Hansen Wang (王瀚森)。該文章報道了一種用Al₄Li_9--LiF作為穩定主體框架，三維金屬鋰通過介孔AlF-₃的簡單一步過鋰化過程嵌入該納米復合物中(Li/Al₄Li_9--LiF,LAFN)，從而構建新型金屬鋰負極的方法。這種LAFN是一種在鋰剝離/沉積過程中近乎零體積改變的理想主體框架。盡管框架占據了空間，但是LAFN復合物中的金屬鋰仍有1571mAh g^-1的高比容量以及1447mAh cm^-3的體積容量。同時，它促進了鋰離子的擴散，改良了鋰金屬與電解液的界面，有效抑制鋰枝晶的生長，由于這些優點，該金屬鋰電極能夠在20mA cm^?2高電流密度下循環至少100次，并且改善了全電池在高倍率下的工作性能、提高了庫倫效率。

【圖文導讀】

圖一：AlF₃粉末和LAFN的形態。

(a) AlF₃粉末介孔框架示意圖；

(b) Al₄Li_9--LiF骨架示意圖；

(c) LAFN示意圖；

(d-f)AlF₃粉末分別在不同放大倍速下的SEM圖（標尺分別為20μm、1μm和200nm）；

(g) 原始LAFN表面SEM圖；

(h) 5mAh cm^—2電流密度下鋰剝離后的LAFN表面的SEM圖；

(i) 5mAh cm^—2電流密度下鋰剝離后再沉積的LAFN表面的SEM圖；

(j-l) 上圖(g-i)中比例尺為200nm的放大SEM圖。

圖二：枝晶抑制、體積穩定的LAFN電極。

(a) 理想和非理想嵌鋰過程示意圖；

(b)/(c) 鋰片/LAFN表面在1mA cm^-2電流密度下對稱電池循環的SEM圖；

(d)/(e) 鋰片/LAFN表面在20mA cm^-2、1mAh cm^-2電流密度下對稱電池循環的SEM圖；

(f)原始LAFN電極、(g)37.5mAh cm^-2下鋰剝離和(h)37.5mAh cm^-2下去鋰后再嵌鋰的SEM截面圖。

圖三：LAFN電極的電化學性質。

(a-b)LAFN電極和鋰片電極的電化學阻抗譜；

(c) 鋰剝離過程的電壓變化圖；

(d) 鋰剝離至1V后樣片的XRD圖譜。

圖四：LAFN對稱電池的循環性能。

(a) 1mA cm^-2 (b) 10mA cm^-2(c) 20 mA cm^-2電流密度下的對稱電池循環性能對比圖。

圖五：LCO/AFN電池的電化學性能。

(a) LCO/LAFN和LCO/Li的倍率特性圖；

(b)1C(c)2C(d)4C電流密度下LCO/LAFN和LCO/Li電池充放電性能對比圖。

【小結】

通過介孔AlF-₃框架的過鋰化過程，合成了具有交聯金屬鋰嵌入的LAFN介孔骨架用于金屬鋰電池負極。該設計不僅給金屬鋰提供穩定剝離和嵌入的主體框架，而且利用反應產生的絕緣LiF用于Al₄Li₉納米粒子的電化學保護，也促進了Li⁺擴散從而增加了金屬鋰嵌入的均一性，因而LAFN抑制了鋰枝晶的生長并且近乎零體積變化。與鋰片對比，LAFN在對稱電池充放電過程中展現了更穩定的充放電平臺，在使用LCO/LTO作正極的全電池中有更高的高倍率工作性能和庫倫效率。

【相關文獻推薦】

（1）D. Lin et al., Layered reduced graphene oxide with nanoscale interlayer gaps as a stable host for lithium metal anodes. Nat. Nanotechnol. 11, 626-632 (2016).

（2）Y. Liu et al., Lithium-coated polymeric matrix as a minimum volume-change and dendrite-free lithium metal anode. Nat. Commun. 7, 10992 (2016).

文獻鏈接: Ultrahigh–current density anodes with interconnected Li metal reservoir through overlithiation of mesoporous AlF₃ framework(Science Advances: 10.1126/sciadv.1701301)

本文由材料人新能源前線Jespen供稿，材料牛整理編輯。

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