燕山大學Angew. Chem. Int. Ed. : 電化學電鍍制備空氣中穩定鋰球作為鋰離子電池負極

abc940504 5年前 (2018-09-10) 4324瀏覽

【引言】

金屬鋰(Li)具有非常高的理論比容量(3860 mAh·g-1)，有望作為下一代高能量密度電池的負極材料用于電動汽車和電網存儲。與鋰箔相比，用于鋰離子電池的壓制鋰粉末基負極由于其較高的表面積，可以有效地減少鋰枝晶的形成，從而降低充/放電期間的真實電流密度。然而，純鋰粉末暴露于電解質或空氣時不穩定，具有安全隱患。因此，制備安全且易于處理的穩定鋰粉末電極材料對于提高鋰金屬電池的安全性和效率以及降低處理、加工的成本是非常重要的。目前，研究人員已致力于通過控制電極幾何形狀或電極表面來穩定鋰電極。然而，通過電化學電鍍合成空氣穩定的鋰粉末或球體迄今尚未見報道。

【成果簡介】

近日，燕山大學亞穩材料國家重點實驗室清潔納米能源研究中心黃建宇教授、唐永福副教授、沈同德教授、中國石油大學(北京)張利強教授(共同通訊作者)等在先進的像差校正環境透射電子顯微鏡內、CO2氣氛下通過電化學電鍍制備了空氣穩定的鋰球(ASLSs)，并在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“Air-Stable Lithium Spheres Produced by Electrochemical Plating”的研究論文。博士研究生楊婷婷、賈鵬、劉秋男、杜聰聰為該工作的共同第一作者。ASLSs為鋰核和碳酸鋰殼組成的核-殼結構。在大氣中，ASLSs不會與水分發生反應并保持其核殼結構。此外，ASLSs可作為鋰離子電池中的負極，其表現出與金屬鋰類似的電化學行為，證實表面的Li2CO3層是良好的鋰離子導體。 ASLSs的空氣穩定性應歸因于表面碳酸鋰層，其在室溫下幾乎不溶于水并且不與空氣中的氧和氮反應，因此鈍化了鋰核。

【圖文簡介】
圖1 ASLSs的制備過程

a) 實驗裝置示意圖，鋰電鍍裝置由CNT陰極、氧化鋰固體電解質和鋰陽極組成；
b-e) CO2環境中ASLS的生成過程。在施加負電位時，在CNT、Li2O和CO2三相交界點出現鋰球。具有核-殼結構的球體隨著時間的延長，其尺寸逐漸增大。

圖2 ASLS的晶體結構與組成分析

a-c) 原始ASLSs的TEM圖像、電子衍射圖像、暗場像；
d-f) 暴露在空氣中30 min的ASLSs的TEM圖像、電子衍射圖像、暗場像；
g,i) 原始ASLSs的低能損失譜和內殼層激發譜，其中紅色為殼層，藍色為核層(下同)；
h,j) 暴露在空氣中30 min的ASLSs的低能損失譜和內殼層激發譜。

圖3 ASLSs的制備可重復性

a-c) 重新制備的原始ASLSs的TEM圖像；
d) 重新制備的暴露在空氣中30 min的TEM圖像；
e) 重新制備的原始ASLSs的暗場像；
f) 重新制備的暴露在空氣中30 min的暗場像；
g) 重新制備的原始ASLSs的電子衍射圖像；
h) 重新制備的暴露在空氣中30 min的ASLSs的電子衍射圖像。

圖4 ASLSs作為鋰離子電池負極的測試

為了測試ASLS是否可以用作鋰離子電池的負極，作者以ASLS作為負極，以Li2CO3、Li2O殼層作為電解質，以Au涂覆的CuO納米線作為正極，在ETEM中構建納米電池進行測試。
a) 原始ASLSs的TEM圖像；
b) 暴露在空氣中30 min的TEM圖像；
c-f) 在對Au涂覆的CuO納米線施加負電位時，納米線迅速鋰化并體積膨脹；
g,h) 施加負電位后，CuO轉變為Li2O、Cu和LiAu。

【小結】

綜上所述，研究人員在像差校正環境透射電子顯微鏡中、CO2氣氛下利用電化學電鍍方法制備了空氣穩定的鋰球(ASLS)。為了測試ASLSs在鋰電池中的實際適用性，作者利用電化學電鍍裝置合成了毫克級ASLSs。將毫克級ASLSs鍍在銅箔上，并將該組件用作紐扣電池鋰離子電池的陽極。電化學測試表明，相比純鋰電極，ASLS電極的首圈循環容量更高，進而證實ASLS可作為鋰電池通用負極材料。此外，石墨表面上的Li2CO3涂層可以防止在電極表面發生機械損傷，以免在鋰離子電池的首圈循環中造成劇烈的容量損失(即電化學沖擊)。因此，ASLS有望成為下一代鋰電池安全高效的負極材料。該工作中展示的電化學電鍍方法為制備具有與常規鋰負極反應活性類似的ASLSs提供了有效的策略。

文獻鏈接：Air-Stable Lithium Spheres Produced by Electrochemical Plating?(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201807355)

本文由材料人編輯部abc940504【肖杰】編譯整理。

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