樓雄文教授Angew：用于穩定鋰金屬負極的氮摻雜非晶鋅碳多通道碳纖維

【引言】

金屬鋰由于其極高的比容量和超低的電化學電勢被認為是高能量密度電池最理想的負極材料。然而，由于Li和有機電解液之間的高化學反應性，在電解液/ Li界面形成不穩定的固體電解質中間相(SEI)，鋰金屬電池的實際應用仍面臨著嚴峻的挑戰。在過去的幾十年中，已經開發許多策略力于穩定鋰金屬負極。其中包括構建功能性的鋰宿主，例如通過在3D集流體骨架中引入親鋰相，能有效地調控鋰沉積的形核方式，從而實現鋰的均勻沉積。另外一種辦法是通過SEI調節修飾鋰負極界面，從而改善鋰的沉積行為。在這些方法中，用于LMA的三維主體納米結構表現出優異的電化學性能，這是因為在Li沉積/剝離過程中局部電流密度大大降低且可以緩解鋰的體積膨脹。但是，由于對Li⁺離子的吸收能力差，常見的3D基底幾乎無法調節接近電極/電解質界面的Li⁺離子濃度，從而導致有限的循環壽命和倍率性能。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學樓雄文教授團隊設計了一種由碳籠(CC)裝飾的氮摻雜非晶鋅碳多通道纖維(CC-Zn-CMFs)，用于穩定LMA。該結構和組成設計具有多重優點：（1）具有大表面積的3D電子分層導電碳纖維可以有效地促進電子的傳輸并降低局部電流密度；（2）在多通道碳纖維上具有納米籠的大孔結構可以適應長期電化學循環中的巨大體積變化；（3）親鋰的氮摻雜碳和功能性Zn納米粒子對鋰離子具有較強的錨定作用，使目標Li沉積在分層多孔碳上；（4）可伸縮且穩定的支架可以在反復的沉積/剝離過程中適應應力。受益于這些綜合優勢，基于CC-Zn-CMFs的鋰金屬負極在半電池和全電池中均表現出優異的電化學性能。相關研究研究成果以“Nitrogen-Doped Amorphous Zn-Carbon Multichannel Fibers for Stable Lithium Metal Anodes”為題發表在Angewandte Chemie-International Edition上。

【圖文導讀】

圖一CC-Zn-CMFs的合成示意圖及前驅體形貌表征

（a）CC-Zn-CMFs的制備流程示意圖。

（b-g）PAN/PS-Zn(Ac)₂纖維和ZIF-8 @ PAN/PS-Zn(Ac)₂的FESEM圖像和TEM圖像。

圖二CC-Zn-CMFs的形貌和結構表征

（a-h）CC-Zn-CMFs的FESEM和TEM圖像及相應元素映射。

（i-l）Zn-CMFs的FESEM和TEM圖像。

（m-o）CC-Zn-CMFs和Zn-CMFs拉曼光學，TGA曲線和N₂吸脫附曲線。

圖三CC-Zn-CMFs在鋰沉積/剝離期間的形貌演變

（a）在容量為10 mAh cm^-2的情況下，CC-Zn-CMFs電極在1 mA cm²下的電化學Li沉積/剝離曲線。

（b-e）CC-Zn-CMFs電極在鋰沉積過程中相應的FESEM圖像。

（f-i）CC-Zn-CMFs電極在鋰剝離過程中相應的FESEM圖像。

圖四CC-Zn-CMFs負極的電化學性能表征

（a）在1 mAh cm^-2的相同容量下，以不同的電流密度在b-Cu，Zn-CMF和CC-Zn-CMF上沉積Li的CE。

（b）在1 mA cm^-2下，容量為1 mAh cm_-2的CC-Zn-CMFs電極的電化學Li沉積/剝離曲線。

（c）在固定容量為2 mAh cm^-2的各種電流密度下，對稱電池中CCZn-CMFs-Li陽極的倍率性能。

（d）在1 mA cm^-2的對稱電池中，容量為1 mAh cm^-2的b-Cu-Li，Zn-CMFs-Li和CC-Zn-CMFs-Li陽極的電壓-時間曲線。

圖五基于CC-Zn-CMFs的全電池電化學性能

（a）CC-Zn-CMFs-Li // LFP全電池的倍率性能。

（b）不同電流速率下CC-Zn-CMFs-Li // LFP全電池的相應恒電流充/放電電壓曲線。

（c）b-Cu-Li // LFP，Zn-CMFs-Li // LFP，CC-Zn-CMFs-Li // LFP全電池在1 C電流下的循環穩定性。

【小結】

總之，本文設計了一種由碳籠(CC)裝飾的氮摻雜非晶鋅碳多通道纖維(CC-Zn-CMFs)，作為鋰金屬負極的鋰宿主。3D大孔纖維結構可以在長期的Li沉積/剝離過程中緩沖巨大的體積變化，并且由于超低的超電勢，親鋰的氮摻雜碳和功能性Zn納米顆粒可以有效地調節Li的形核和生長。結果，基于CC-Zn-CMFs的鋰金屬負極在1到5 mA cm^-2的電流密度下顯示了超過500個循環的高庫侖效率。基于CC-Zn-CMFs-Li的對稱電池還顯示出出色的倍率性能和高達2000 h的循環壽命。此外，CC-Zn-CMFs-Li // LFP全電池顯示出優異的倍率能力和穩定的循環壽命。

文獻鏈接：“Nitrogen-Doped Amorphous Zn-Carbon Multichannel Fibers for Stable Lithium Metal Anodes”(DOI: 10.1002/anie.202100471)

本文由材料人微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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