Sci.Adv.: 通過原子層沉積LiF作為鋰金屬陽極的穩定界面來拼接h-BN

【引言】

由于其獨特的電學和光學特性，二維（2D）原子晶體h-BN已成為電子和光電子領域各種應用的有吸引力的材料。此外，它具有優異的化學惰性，使其對大多數化學品如氧和鋰金屬穩定。h-BN的完美單原子層具有很強的機械強度，預計面內楊氏模量接近1.0TPa。由于具有諸多優點，h-BN作為一種穩定的涂層顯示了優異的特性，該涂層可防止高溫下的金屬氧化，并抑制電化學鋰金屬電鍍過程中鋰枝晶的形成。缺陷是二維（2D）材料的重要特征，對其化學和物理性質有很大的影響。 通過缺陷點（點缺陷，線缺陷等）增強的化學反應性，可以通過化學反應選擇性地使2D材料功能化，從而調整其物理化學性質。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學崔屹教授（通訊作者）團隊證明了LiF在化學氣相沉積法制備的h-BN缺陷位置上的選擇性原子層沉積。LiF主要沉積在h-BN的線和點缺陷上，從而形成將h-BN微晶保持在一起的接縫。化學和機械穩定的混合LiF/h-BN膜在銅箔上的初始電化學沉積和隨后的循環過程中成功地抑制了鋰枝晶的形成。在無添加劑的碳酸鹽電解質中，受保護的鋰電極表現出良好的循環行為，在相對高的庫倫效率（> 95％）下具有超過300次循環。相關成果以題為“Stitching h-BN by atomic layer deposition of LiF as a stable interface for lithium metal anode”發表在Science Advances?上。本工作主要由斯坦福大學崔屹老師指導，由美國能源部Battery500和Bosch公司共同提供資金支持完成。第一作者為崔屹老師實驗室博士后謝琎和廖磊。

【圖文導讀】

圖1 SEM表征

（A）在h-BN上選擇性ALD LiF沉積的示意圖

（B）在連續的h-BN上進行50次循環的ALD LiF沉積的SEM表征

（C）在h-BN邊緣上50次循環的ALD LiF沉積的SEM表征

圖2 原子力顯微鏡和俄歇表征

（A）選擇性ALD LiF沉積在h-BN/Si上的頂視圖和側視圖

（B）在Si襯底上的單層h-BN的AFM表征

（C）Si襯底上的單層h-BN的高度分布

（D，E）在Si襯底上ALD LiF涂覆的單層h-BN的高度分布

（F）在Si襯底上的ALD LiF涂覆的單層h-BN的AFM表征

（G）使用俄歇能譜對h-BN/Si進行N，B和F的元素映射

（H）使用俄歇能譜對LiF/h-BN/Si進行N，B和F的元素映射

圖3 TEM表征

（A）在懸浮的h-BN上的ALD LiF沉積的TEM表征

（B）高亮藍色區域的衍射圖案

（C）突出綠色和紅色區域顆粒密度的比較

圖4 電化學鍍Li的SEM表征

在Cu（A-C），h-BN/Cu（D-F），LiF/Cu（G-I）和LiF/h-BN/Cu（J-L）上Li電鍍的示意圖和SEM表征

圖5 循環性能

（A）庫侖效率（CE）與循環次數圖

（B）第二次循環中電壓與容量的關系曲線

（C）第46次循環期間電壓與容量的關系圖

（D）第54次循環期間電壓與容量的關系曲線

（E）第90次循環的電壓與容量的關系曲線

圖6 電化學鍍Li橫截面形貌的SEM表征

在EC/DEC電解質中用1M LiPF₆在LiF/h-BN/Cu（A）和原始Cu（B）基底上沉積5次之后的Li的橫截面形貌的SEM表征

【小結】

該研究證明了在h-BN缺陷位置處LiF的選擇性ALD具有增強的化學反應性。選擇性沉積能夠使用SEM，AFM和TEM可視化h-BN中缺陷的位置。LiF/h-BN復合膜具有優異的化學和力學性能，能夠有效抑制鋰枝晶的形成，提高長周期鋰金屬循環的庫侖效率。

文獻鏈接：Stitching h-BN by atomic layer deposition of LiF as a stable interface for lithium metal anode（Sci.Adv.,2017,DOI:10.1126/sciadv.aao3170）

本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。

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