Nano Energy：一種普遍、有效的方法打造高穩定鋰金屬陽極

u2175908346 6年前 (2017-11-27) 3069瀏覽

【引言】

在過去幾十年里，鋰金屬電池在便攜式電子器件、電動汽車和大型能源儲存站有許多應用。下一代Li基電池，如Li-S、Li-空氣和固態鋰電池受到了許多關注。在所有的陽極候選者中，由于鋰金屬陽極獨特的高比容量、低電位和輕質量，被認為是下一代鋰金屬電池最有前景的候選者之一。然而，由于安全問題，Li金屬陽極沒有進一步被應用在商業電池中。Li金屬陽極的安全問題是由于在電化學鍍層/剝離過程中，Li枝晶生長引起的。Li金屬陽極的主要挑戰有下面三點：（1）在電化學鍍層/剝離過程中，Li枝晶生長；（2）Li金屬和有機電解液之間形成不穩定的固態電解液界面層；（3）Li金屬電極的無限體積變化。2012年，Manthiram組發明作為Li-S電池陰極和隔膜之間的夾層多孔炭紙，提高了活性材料利用率和容量保持率。隨后，證明了各種碳纖維基夾層在Li-S電池中可以保護Li金屬陽極。然而，Li鍍層/剝離的詳細電化學性能沒有被研究，尤其在鋰金屬陽極上使用炭夾層。因此，研究人員通過引入炭紙作為夾層，實現長壽命和無枝晶Li金屬陽極。

【成果簡介】

近日，加拿大西安大略大學（又名韋仕敦大學）機械與材料工程系孫學良教授（通訊作者）研究小組通過引入夾層炭紙（CP）方法實現長壽命、無枝晶鋰金屬陽極。所設計的電極可以傳遞高達3 mAh cm-2~5 mAh cm-2的容量、優越的穩定性能（620 h/265）以及高的運行電流密度（3 mAcm-2 和5 mA cm-2）。與此同時，也證明在碳覆蓋LiFePO4作為陰極的全電池中具有高容量和長壽命。該研究成果以“Carbon Paper Interlayers: A Universal and Effective Approach for Highly Stable Li Metal Anodes”為題發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖1.用復寫紙作為夾層的鋰箔，在不同電流密度下，展現的電化學鍍層/剝離性能

（a）在3 mA cm-2電流密度下，Li-CP-1L和純Li箔的穩定性、電壓比較；

（b）在5 mA cm-2電流密度下，Li-CP-1L和純Li箔的穩定性、電壓比較；

（c）在1 mAh cm-2容量極限下的倍率性能。

圖2. 在不同情況下，Li-CP-5L和純Li鋁箔的性能比較

（a）在有3 mAh cm-2 容量極限的3 mA cm-2電流密度下，Li-CP-5L和純Li箔的循環穩定性和電壓；

?（b）在有5mAh cm-2 容量極限的3 mA cm-2電流密度下，Li-CP-5L和純Li箔的循環穩定性和電壓。

圖3. Li-CP-1/5L和純Li箔的表面形貌表征

（a）? 在1 mAh cm-2容量極限下，10個周期后，純Li箔的SEM圖（俯視圖）；

（b）? 在1 mAh cm-2容量極限下，10個周期后，Li-CP-1L的SEM圖（俯視圖）；

（c）? 在1 mAh cm-2容量極限下，10個周期后，純Li箔的SEM圖（截面圖）；

（d）? 在1 mAh cm-2容量極限下，10個周期后，Li-CP-1L的SEM圖（截面圖）；

（e）? 在3mAh cm-2容量極限下，10個周期后，純Li箔的SEM圖（俯視圖）；

（f） 在3mAh cm-2容量極限下，10個周期后，Li-CP-5L的SEM圖（俯視圖）；

（g） 在3 mAh cm-2容量極限下，10個周期后，純Li箔的SEM圖（截面圖）；

（h）在3mAh cm-2容量極限下，10個周期后，Li-CP-5L的SEM圖（截面圖）。

圖4.在1 C倍率下，Li-CP-2L和純Li箔作為陽極，全電池的循環性能

（a）? 純Li箔和Li-CP-2L在1C下，全電池（C/LiFePO4作陰極）的循環性能；

（b）? 純Li箔和Li-CP-2L在第2周期的充放電電壓滯環曲線；

（c）? 純Li箔和Li-CP-2L在150周期后的充放電電壓滯環曲線；

（d）? 使用純Li箔和Li-CP-2L，全電池的循環性能；

在變化周期下純Li箔（e）和Li-CP-2L（f）的滯環曲線。

圖5. Li剝離/電鍍行為的示意圖

（a）發生在純Li箔表面，Li剝離/電鍍行為的示意圖；

（b）發生在有CP夾層Li箔表面，Li剝離/電鍍行為的示意圖；

（c）Li沉積在CP上的詳細機理。

【小結】

研究人員證實使用炭紙作為夾層，可以實現高穩定的Li金屬陽極。同時具有一下優點：Li-CP復合電極更容易制備，可以應用在大型電子器件設備；（2）所制備的Li-CP-5L有穩定的鍍層/剝離性能，達620 h，超過純Li箔的10倍；（3）超長的循環穩定性和高容量保持率；（4）在Li沉積過程，沒有觀察到枝晶形成。炭紙夾層的設計為未來高能量密度Li金屬電池展現了新的道路。

文獻鏈接：Carbon Paper Interlayers: A Universal and Effective Approach for Highly Stable Li Metal Anodes （Nano Energy，2017，DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.032）

本文由材料人編輯部新能源小組尋常編譯，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！

標簽：
分享到