程春&牛樹章AEnM：有機低共熔混合物結合氧化石墨烯片作為親鋰人工保護層助力無枝晶鋰金屬電池

景行 4個月前 (03-22) 1038瀏覽

01【導讀】

低共熔溶劑是一種新型的液體電解液，可以形成低至室溫的液態有機低共熔混合物(OEMs)，由于其在電化學儲能方面的獨特應用而受到越來越多的關注。當用作非水體系中的溶劑時，OEMs可以拓寬金屬基負極（例如鋅和鋰金屬負極）的開路電壓，具有較低的沉積/剝離電位。此外，由于其高離子電導率和高熱及化學穩定性，OEMs也是用于電化學反應的優良反應介質。

在低共熔溶劑中，具有豐富親鋰共軛羰基的醌基化合物由于其良好的動力學和穩定的結構而被用作鋰金屬電池（LMBs）中電解液的添加劑。此外，醌基低共熔混合物的苯環能夠通過π-π鍵與rGO/GO強耦合。考慮到rGO/GO和醌基低共熔溶劑的上述優點，可以通過混合醌基低共熔溶劑和Li鹽來制備液體OEMs，然后將其與rGO/GO結合獲得有效的親鋰人工保護保護層，其包含豐富的親鋰官能團，具有形成均勻SEI膜的能力和優異的機械性能和穩定性。

02【成果掠影】

近日，南方科技大學程春和深圳技術大學牛樹章等人通過將氧化石墨烯片與1，4-苯醌和雙(三氟甲烷)磺酰胺鋰鹽的液態有機低共熔混合物結合來制備GO-BQ@LiTFSI (GBL)中間層。由于這些功能材料的特殊優點，這種結合賦予GBL中間層豐富的親鋰活性位點、良好的離子導電性、優異的熱穩定性和與電解質的相容性。因此，GBL有效地促進了低過電位下鋰的均勻成核，并調節了鋰離子通量，導致了平面鋰金屬的形成。在Li||Li對稱電池中使用GBL中間層后，在3mA cm-2的電流密度和3 mAh cm-2的容量下實現了600 h的高電化學穩定性。值得注意的是，這種改進使陰極質量負載約為6mg cm-2的Li||LiFePO4全電池在1C下循環1600次，高容量保持率為95.23%。

相關研究文章以“Organic Eutectic Mixture Incorporated with Graphene Oxide Sheets as Lithiophilic Artificial Protective Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries”為題發表在Advanced Energy Materials上。

03【核心創新點】

本文中，作者創新性地在醌基OEMs中添加了氧化石墨烯片，制備了GBL中間層，實現了對鋰離子流的有效調控，獲得無枝晶的鋰金屬電池。

04【數據概覽】

圖1、GO-BQ@LiTFSI (GBL)人工保護層示意圖。GO和BQ官能團的a)結構和b)結合能。c)調節后的鋰離子通量在通過GBL后是均勻的。黃色箭頭表示鋰離子的流動方向。? 2023 Wiley

圖2、GBL及其上形成SEI的表征。a、b)原始狀態下的GBL和c、d)第一次循環后的GBL的俯視圖和側視圖的SEM圖像。e)原始狀態和f)第一次循環后的GBL的C1s、F1s和Li 1s的XPS分析。? 2023 Wiley

圖3、循環后帶有PP和GBL@PP的LMBs銅箔的形貌評價和XPS分析。第一次(a)和第100次循環(b)后使用PP隔膜的銅箔的俯視圖和側視圖。在第一次(c)和第300次循環(d)后使用GBL的銅箔的俯視圖和側視圖。虛線表示銅箔和電鍍鋰的界面。第一次電鍍后不同氬腐蝕時間銅箔表面SEI膜的XPS分析。來自(e) Cu||Li和(f) Cu||GBL||Li樣品的銅箔的C 1s、F 1s和Li 1s的光譜。? 2023 Wiley

圖4、Li||GBL||Cu和對照半電池電化學性能。比較a) Li成核過電勢、b)剝離和電鍍過電勢、c)庫侖效率(CE)和d)由容量為1 mAh cm-2、電流密度為0.5mA cm-2的GBL、GO-BQ、GO-LiTFSI、GO和PP隔膜改進的電池的相應電壓滯后曲線。e)在不同的電流密度和1 mAh cm-2的容量下，使用GBL和純PP隔膜的半電池的CE比較。? 2023 Wiley

圖5、LMBs的電化學性能。a)1.0、2.0、3.0和5.0mA cm-2下鋰電鍍和剝離過程的倍率性能。b)在3 mAh cm-2的容量下，滯后電壓與電流密度的變化。c)1 mA cm-2，容量為1 mAh cm-2和d)3.0 mA cm-2，容量為3 mAh cm-2下對稱電池長循環性能。e)Li||GBL||LFP和Li||PP||LFP FCs在1C(1C= 170mA g-1)電流密度下的循環性能。? 2023 Wiley

圖6、a) Li||Cu和b) Li||GBL||Cu LMBs中Li枝晶生長的示意圖(側視圖)。? 2023 Wiley

05【成果啟示】

作者通過將液態OEM(BQ@LiTFSI)與GO片結合構建了人工保護中間層(GBL)，提供了一種抑制Li枝晶生長的新方法。實驗和理論結果表明，GBL中間層含有豐富的親鋰活性中心基團，有助于形成致密的富含LiF 的SEI層。耦合的GBL和SEI不僅可以通過GO固有的高強度和結構穩定性機械地抑制Li枝晶生長，而且還可以均勻地調節Li離子流量以提供無枝晶的Li沉積。通過在Li||Li 對稱電池中使用GBL中間層，在3mA cm-2的電流密度和3 mAh cm-2的容量下實現了600 h的高電化學穩定性。值得注意的是，這種改進使陰極質量負載約為6mg cm-2的Li||LiFePO4 全電池能夠在1 C下循環1600次，高容量保持率為95.23%。

 

 

原文詳情：Xu, L., Zhang, Q., Niu, S.*, Wang, X., Lian, Q., Huang, Y., Shi, R., Amini, A., Cheng, C.*, Organic Eutectic Mixture Incorporated with Graphene Oxide Sheets as Lithiophilic Artificial Protective Layer for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries. Adv. Energy Mater. 2023, 2204214. https://doi.org/10.1002/aenm.202204214

?本文由景行供稿

 

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