清華張強團隊 Adv. Funct. Mater.：自適應壓力調控復合負極的Li沉積/溶解，助力高效LIBs

【背景介紹】

眾所周知，2019年諾貝爾化學獎是表彰鋰（Li）離子電池的研發。然而，鋰離子電池（LIBs）中石墨負極的理論比容量低（372 mAh g^-1）限制了其進一步的應用。鋰金屬具有超高的比容量（3860 mAh g^-1）和低還原電勢，是一種優良的負極材料。然而，不受控的Li枝晶生長和大的體積波動，導致界面不穩定、使用壽命短等問題，目前仍未應用于實際可充電器件中。其中，具有導電3D主體的復合Li負極可將Li沉積限制在內部孔中而保持尺寸穩定性，減小體積波動，同時充足的導電表面顯著降低了面電流密度。但是，復合負極內部的密閉空間內并未改變Li枝晶的生長。因此，需要從考慮內部Li沉積/溶解角度來探索新型復合負極。此外，還沒有利用Li金屬的機械性能來調節復合負極中的內部Li沉積/溶解的方法。

【成果簡介】

近日，清華大學的張強教授（通訊作者）等人報道了一種新興且合理的設計復合負極的策略，以調節內部Li沉積/溶解。自適應壓力是由導電主體內部填充的彈性聚合物產生，其超過了Li的屈服強度，能夠限制內部Li的生長。同時，在壓力作用下電子路徑持久存在，使Li形成了光滑且利于率很高的形態，減少了形成死Li。在實際條件下，該壓力自適應的復合負極在進行160次循環后，期容量保持率為80％，而平面Li負極在實際應用中可進行60次循環。此外，一個1.0 Ah的袋式電池可以被循環利用68次。該工作不僅通過在復合負極中引入自適應壓力為內部Li沉積/溶解的調節提供了新視角，而且還展示了探索用于實際Li金屬電池的多功能復合負極的途徑。研究成果以題為“A Pressure Self-Adaptable Route for Uniform Lithium Plating and Stripping in Composite Anode”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、不同復合負極的電鍍過程示意圖
（a）帶有常規3D主機的復合負極電鍍過程的示意圖；

（b）帶有壓力自適應主機的復合負極電鍍過程的示意圖。

圖二、在Li沉積/溶解過程中，PAN聚合物的變化
（a）Li電鍍過程中，填充有PAN聚合物主體的von Mises應力分布；

（b）在Li沉積/溶解過程中，PAN邊界位移的示意圖；

（c）在變形過程中，PAN的楊氏模量；

（d-e）銅網和銅網@PAN的Li電鍍后的頂視圖SEM圖像。

圖三、CF@PAN的表面形態和結構，沉積Li在CF@PAN中的位置
（a）CF@PAN和EDS的俯視SEM圖像；

（b）通過X射線顯微鏡觀察鍍Li后，CF@PAN的3D形貌；

（c）沿（b）中藍色虛線的橫截面局部視圖；

（d）沿（b）中紫色虛線的縱剖面局部視圖。

圖四、在反復循環中，復合負極表面的形貌變化
（a-b）電流密度為1.0 mA cm^-2、容量為3.0 mAh cm^-2下進行10次循環后，CF@PAN和CF負極鍍層形貌的俯視SEM圖像；

（c-d）電流密度為1.0 mA cm^-2、容量為3.0 mAh cm^-2下進行10次循環后，CF@PAN和CF負極剝離形貌的俯視SEM圖。

圖五、在實際條件下，袋式電池的循環性能
（a）NCM523正極和不同負極的紐扣電池在0.4 C下的循環性能；

（b）使用平面Li和Li/CF@PAN負極的第30次和第100次循環中紐扣電池的相應電壓曲線；

（c）一個1.0 Ah的袋式電池在0.1 C下的循環性能，并插入袋式電池的數字圖像；

（d）第30次和60次循環時，袋式電池的電壓-容量曲線。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種新興的壓力自適應策略，以調節復合Li負極中Li沉積/溶解的行為。作者研究了在內部空間受限下，Li沉積/溶解的重要性，加強了對微米級復合負極內部Li金屬電化學行為的理解。自適應壓力大于沉積的Li的屈服強度，將沉積的Li限制在致密且光滑的形態中。因此，由于平滑的Li和在自適應壓力下持續存在的電子路徑，可以實現對沉積Li的高度利用，并減少產生死Li。總之，該工作表明通過自適應壓力來調節復合負極內部Li沉積/溶解，可以應對實際挑戰，同時為開發長壽命可充電電池的多功能復合負極提供了范例。

文獻鏈接：A Pressure Self-Adaptable Route for Uniform Lithium Plating and Stripping in Composite Anode（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004189）

本文由CQR編譯。

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