萬立駿&郭玉國JACS：具有3D導電骨架的球形碳顆粒中的混合鋰儲層實現穩定的Li電鍍/剝離電化學性能

【背景介紹】

便攜式電子、電動汽車和電網的快速發展刺激了對高能可再充電電池的廣泛研究。Li金屬提供了3860mAhg^-1的高理論容量和非常低的還原電位，使得可再充電鋰電池的能量密度高于基于插層陽極的商業鋰離子電池，例如石墨。然而，在Li /電解質界面上的不均勻質量和電荷轉移導致樹枝狀Li和“死”Li的形成以及不穩定的固體電解質相間，因此使用Li陽極仍然面臨巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，來自中科院化學研究所萬立駿院士和郭玉國研究員（共同通訊）等人發現上述問題可以通過調節界面質量/電荷轉移來緩解。將混合Li儲存在洋蔥狀石墨化球形C顆粒上并連接在三維導電骨架上，增強了C主體的表面電荷的負性，有助于均勻的Li電鍍，同時還形成穩定的Li / C插層化合物以抵消循環過程中不可逆的Li損失。

【圖文導讀】

圖1?碳改性Ni泡沫（CMN）的結構和形態表征結果

（a）CMN準備過程示意圖

（b）CMN的低放大倍數SEM圖像

（c）球形C的橫截面SEM圖像和（d）球形C的切片TEM圖像

（e）CMN的橫截面SEM圖像

圖2?在CMN上Li電鍍/剝離的形態演化

（a）原始CMN和電鍍后，（b）0.8mA h cm^-2，（c）2mA h cm^-2，（d）4mA h cm^-2的Li進入CMN中和剝離后（e） 1 mA h cm^-2，（f）2 mA h cm^-2，（g）3 mA h cm^-2，（h）4 mA h cm^-2的來自CMN的Li 的形態演化

鋰電鍍/剝離狀態（a-h）以（i）在2mA cm^-2獲得的Li | Li-CMN半電池的恒電流放電/充電電壓分布進行標記

圖3?CMN上鍍鎳工藝的示意圖

由石墨片自組裝的球形C顆粒具有豐富的納米通道，其允許Li ⁺穿透和高電子導電性以促進電子傳輸

圖4?鋰電極和CMN電極的電鍍/剝離性能

（a）裸鎳泡沫（BNF）和CMN上的Li電鍍/剝離的電壓曲線，電流密度為0.5mA cm^-2，Li鍍層容量為2mAh cm^-2

（b）在兩個電極上的電鍍/剝離循環次數的電壓滯后演變曲線

（c）電流密度為1mA cm^-2和Li鍍膜容量為1mA h cm^-2的Li | Li-BNF和Li | Li-CMN對稱電池中的Li電鍍/剝離工藝的電壓分布圖

圖5 Li-CMN | LiFePO₄全電池的電化學性能

（a）LiFePO₄陰極的橫截面SEM圖像

（b-e）在0.2C下Li-CMN | LiFePO₄全電池的電化學性能，包括具有陰極/陽極容量比（b）1:1和（c）1：1.05的全電池的電壓分布，（d）具有不同陰極/陽極容量比的全電池在0.2C下的循環性能，（e ）在1C下陰極/陽極容量比為1：1.05的全電池的長期循環性能

圖6?CMN改進電鍍/剝離性能的解釋

包括（a）平面石墨片上，（b）彎曲石墨片和（c）Li-插入的彎曲石墨片上的電子/電荷分布和Li沉積

（d）存儲在Li/C化合物中的Li充當備用來源以抵消在循環期間的不可逆的Li損失

【總結】

本文率先通過Li /電解質界面實現質量/電荷轉移的調節，以穩定金屬Li的陽極電化學性質。Li-CMN陽極顯示出95％的高Li利用率和穩定的電鍍/剝離能力，如果與LiFePO₄陰極耦合，則可以得到壽命長的可充電Li金屬電池。本文的工作將為高能鋰金屬電池的研究提供新的視野，并為實際的可充電金屬電池的發展做出了貢獻。

文獻鏈接：Stable Li Plating/Stripping Electrochemistry Realized by a Hybrid Li Reservoir in Spherical Carbon Granules with 3D Conducting Skeletons（J. Am. Chem. Soc.，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b01763）

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