萬立駿郭玉國Adv.Mater.：輕量級氮摻雜石墨碳海綿均勻成核生長金屬鋰用于鋰金屬電池負極
【引言】
金屬鋰由于具有高理論比容量、低還原電勢、低密度的優點，被認為是下一代電池-金屬鋰電池負極的有效取代者。然而，鋰枝晶生長問題造成的低庫倫效率、短循環壽命、安全問題等，嚴重阻礙了金屬鋰電池的發展。
近年來，關于以上問題的解決策略有很多相關報道。一方面是通過修飾液態電解質來穩定鋰/電解液界面，或者構建人工SEI膜。另一方面是構建固態電解質和物理保護層來抑制鋰枝晶的生長。但是這些策略都有一個明顯的問題：過多的添加物增加了額外重量，從而使得金屬鋰負極復合物的比容量大打折扣。
【成果簡介】
近日，來自中科院化學所的萬立駿院士和郭玉國研究員在著名期刊Advanced Materials上發表了題為” Uniform Lithium Nucleation/Growth Induced by Lightweight Nitrogen-Doped Graphitic Carbon Foams for High-Performance Lithium Metal Anodes”的文章。該文章報道了一種原位氮摻雜柔性三維石墨碳海綿體作為金屬鋰電池的輕量級集流體，從而實現鋰均勻成核和生長。均勻的含氮官能團使得鋰粒子在小成核過電勢下均勻地生長，并且初始的鋰成核種子層使鋰的生長更有規律，同時完成了鋰枝晶在“發芽”狀態的轉變。而且，高比表面積、3D多孔框架、重量輕等特點使得局域電流密度較低，減小了循環過程中的體積變化，獲得了高容量。
【圖文導讀】
圖一：氮摻雜石墨碳海綿的表征。
a) SEM圖；
b) TEM圖；
c) XRD圖；
d) 拉曼光譜圖；
e) N 1s的XPS圖；
f) 氮氣吸附曲線以及孔徑分布圖。
圖二：不同電流密度下循環后的石墨碳海綿體表征。
a) 循環前的SEM圖；
b) a中放大的SEM圖；
c) 2mAh cm-2嵌鋰的SEM圖；
d) c中放大的SEM圖；
e) 4mAh cm-2嵌鋰的SEM圖；
f) 10mAh cm-2嵌鋰的SEM圖；
g) 6mAh cm-2脫鋰的SEM圖；
h) 10mAh cm-2脫鋰的SEM圖；
i)C-, j)Li- ,k) C-和Li-總譜的ToF-SIMS元素分布分析；
l)ToF-SIMS濺射時間和強度關系圖。
圖三：銅箔和氮摻雜石墨碳海綿體鋰成核和生長過程對比。
圖四：電化學性能表征。
2mA cm-2電流密度a) 2mAh cm-2 b) 2mAh cm-2 c) 2mAh cm-2面積容量下循環的庫倫效率比較；
d) 不同充放電次數的直流充放電圖；
e) 不同電流密度下直流充放電圖；
f) 1.5-2.5mAh cm-2的電壓分布放大圖。
圖五：對稱電池和全電池的性能表征。
a) 2mA cm-2電流密度下和b) 3mA cm-2電流密度下電壓分布圖；
c) 2mA cm-3電流密度下和 d) 2mA cm-3電流密度下的平均電壓圖；
e) 全電池的充放電曲線；
f) 全電池的長循環性能。
【小結】
合成了一種氮摻雜石墨碳海綿體作為金屬鋰的優良集流體，實現了鋰均勻成核和生長，有效地提高了其電化學性能。由于其碳框架包含了含氮功能團，提供了均勻的成核位點，使得鋰離子在首次嵌鋰時更規則。再生的鋰成核種子層有利于鋰的均勻生長。此外，集流體的高比表面積和良好導電性降低了電流密度，抑制了鋰枝晶的生長。而且，3D多孔結構緩解了嵌鋰/脫鋰過程中的體積變化，穩定了SEI膜的形成并提高了電化學性能。在循環過程中，無枝晶的鋰擁有高庫倫效率(99.6%)和超長的循環壽命(1200h)。另外在低過電勢下鋰負極復合物擁有大容量(10mAh cm-2,3140mAh g-1NGCF-Li)，輕量級的氮摻雜石墨碳海綿體有較高的電流密度(10mA cm-2)。
文獻鏈接: Uniform Lithium Nucleation/Growth Induced by Lightweight Nitrogen-Doped Graphitic Carbon Foams for High-Performance Lithium Metal Anodes(Adv.Mater: 10.1002/adma.201706216)
本文由材料人新能源組Jespen供稿，材料牛整理編輯。
材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，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，點我加入編輯部大家庭。
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。
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。
材料測試、數據分析，上測試谷！
文章評論(0)