Nano Energy: 金屬氧化物納米顆粒誘導穩定的Li金屬負極階躍邊緣成核

編輯部實習生 6年前 (2018-01-15) 3132瀏覽

【引言】

快速發展的社會需求和快速耗竭的自然資源迫使高能量密度和功率密度的電池系統不斷升級和探索。由于Li金屬負極具有極高的負極理論容量（3860 mAh g-1），較低的負電化學電位以及其低重量密度，被認為是Li金屬電池最有希望的候選電極材料之一。然而，不可控的Li枝晶的形成，大幅度的體積變化，副反應以及固體電解質相（SEI）層較差的機械性能阻礙了該技術的商業化。

【成果簡介】

近日，浙江工業大學陶新永教授(通訊作者)與中國林業科學研究院合作，在Nano Energy發表題為“Metal oxide nanoparticles induced step-edge nucleation of stable Li metal anode working under an ultrahigh current density of 15 mA cm?2”的文章。本研究通過非原位觀察初始鋰沉積過程并進行電化學測試，首先確定了在階梯邊緣區域鋰金屬的現有成核行為。隨后采用輕木衍生的多孔碳基質作為Li主體，引入金屬氧化物納米顆粒以增加Li成核的納米階躍量，Li成核過電位降低，因而可以很好地適應碳基質。這種邊緣引導效應可能使得Li剝離/電鍍主要發生在通道內的臺階區域附近，抑制負極枝晶的產生。改性的Li負極能夠在15mA cm-2的超高電流密度下工作，庫倫效率可以達到?96％，并顯示出更低的成核過電位以及更令人滿意的循環穩定性。與商用LiCoO2正極配對，較裸Li箔，具有更好的倍率性能和更高的容量。

【圖文導讀】

圖1 錨定石墨紙上不同氧化物Li沉積過程

(a)臺階邊緣不均勻成核示意圖；

(b-i)電鍍0.01 mAh cm-2 Li之前和之后氧化物錨定GP的形態SEM圖；

(b,c)在鍍Li前后的Al2O3@GP的SEM圖；

(d,e)Li電鍍之前和之后的CaO@GP的SEM圖；

(f,g)Li電鍍之前和之后的La2O3@GP的SEM圖；

(h,i)Li電鍍之前和之后的MgO@GP的SEM圖；

(j-o)Li電鍍曲線；(j)GP，(k)Al2O3@GP；(l)CaO@GP；(m)La2O3@GP；(n)MgO@GP；(o)在1 mA cm-2下不同樣品上的成核過電位

圖2 MgO@ WC/Li復合材料的制備

(a)原材料設計以及由天然木材到WC，MgO @ WC以及最后Li內的MgO @ WC/Li復合材料的后續合成示意圖；

(b)木材，WC，MgO@WC和MgO@WC/Li復合材料SEM圖(表明Li完全沉積在WC通道中);

圖3 WC，MgO@WC和MgO@WC/Li復合材料的SEM形貌

(a,b) WC的頂視圖和橫截面SEM圖像;

(c,d) MgO@WC的頂視圖和橫截面SEM圖以及C，Mg和O的相應元素圖;

(e,f) MgO @ WC / Li復合材料的頂視圖和橫截面SEM圖像;

圖4 裸WC上Li沉積庫侖效率的比較

不同電流密度下Li在MgO@WC上剝離/電鍍容量為3.5 mAh cm-2時的庫倫效率比較

(a)1.5 mA cm-2；

(b)3 mA cm-2；

(c)15 mA cm-2；

圖5 MgO@WC/Li負極和與LCO正極配對的裸Li箔的電池結構和電化學性能

(a)LCO/Li電池結構示意；

(b)LCO/MgO@WC/Li電池的電池結構示意圖；

(c)LCO/MgO@WC/Li和LCO/Li電池在0.1C至5C的不同速率下的倍率性能；

(d)LCO/MgO@WC/Li和LCO/Li電池在1C下進行300次長循環測試；

(e)Li箔負極充放電電壓曲線；

(f)MgO@WC/Li負極和LiCoO2正極組合電池的充電/放電電壓曲線；

【小結】?????????????????????????????

在該研究中使用的輕木沿著樹木生長方向被切開，木盤中充滿了豐富的自然通道。即使在木材碳化之后，這些通道仍然可以被用作鋰金屬負極的理想基體。 MgO納米顆粒及其豐富的缺陷可以很容易地引入WC的通道，大大增加了Li沉積的成核位點。電沉積過程可以輕易的實現將可控量的Li很好地限制在自然的三維結構中。該研究的3D Li金屬負極與商用Li箔相比，可以獲得更好的電化學性能。這種自然3D材料的設計和對階躍引導成核過程的納米級界面修飾可能是穩定鋰金屬負極的前瞻性策略，將有助于鋰金屬電池的商品化。

文獻鏈接：Metal oxide nanoparticles induced step-edge nucleation of stable Li metal?anode working under an ultrahigh current density of 15 mA cm?2(Nano Energy,2018,DOI:org/10.1016/j.nanoen.2017.12.055)

本文由材料人編輯部連婷婷編譯， 黃超審核， 點我加入材料人編輯部。

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