藕状结构实现具有高锂载量无枝晶锂负极的技术解析 _知识百科

【引言】
日益严重的化石燃料短缺和环境污染引起了对可再生能源的需求，推动了可再生能源技术的快速发展。在二次电池系统中，锂金属电池因很高的理论比容量（3860 mAh g-1）和较低的氧化还原电位（-3.04V）受到越来越多的关注。但是由于锂金属电池中锂枝晶的生长可能导致“死锂”和电池短路，从而导致电池危险性增加、容量减少。
【成果简介】
华中科技大学黄云辉教授等证明了具有适当的内外半径比的空心碳纳米纤维，可以使锂离子选择性沉积在内表面。基于该原理，作者设计了一种藕状结构实现了具有高锂载量的无枝晶锂负极。莲藕状的碳纳米纤维阳极并包覆LiNafion作为人工SEI膜，实现了3600mAh的容量并提高了库伦效率。作者认为对锂离子沉积与基体几何关系的认识将为锂电池系统中混合锂阳极的合理设计提供新思路。该成果以“A Strategy of Selective and Dendrite-Free Lithium Deposition for Lithium Batteries”为题发表在Nano Energy上。
【图文导读】
图1 锂沉积的模拟结果

文章插图

(A) 锂离子在不同的内外半径空心碳纳米纤维中沉积的模拟及实验结果锂沉积的模拟结果
(B)(C)(D) 1mAh锂沉积在8:10,5:10,1:10的半径比下的扫描电镜图像
注：插入图为在1mAh锂沉积在碳纳米纤维TEM图像显示
图2 LCNF模拟图和显微图像

文章插图

(A),(B),(C),(D) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的示意图
(E),(F),(G),(H) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的TEM图像
(I),(J),(K),(L) SCNF,LCNF,Li-SCNF, Li-LCNF的SEM图像
图3 微观形貌图

文章插图

(A),(B） LCNF@Nafion的SEM图像和TEM图像
(C1) LCNF@Nafion单纤维STEM图片
【藕状结构实现具有高锂载量无枝晶锂负极的技术解析】(C2) 相应的线性EDX元素分布
(D) LCNF@Nafion切片示意图
(E) LCNF@Nafion切片图像,插图给出了不含Nafion的LCNF切片
(F1) LCNF@Nafion切片TEM图像
(F2) 相应的线性EDX元素分布
(G),(H) Li-LCNF@LNafion在电流密度为1mA cm-2 ， 8mAh cm-2时循环30圈后的SEM,STEM图像
(I1) 单纤维LCNF@LNafion的STEM图像
(I2) 相应的线性EDX元素分布
图4 库伦效率及比容量曲线

文章插图

(A1),(A2) LCNF@LNafion在1mA cm-2时的库伦效率，比容量曲线
(B1),(B2) LCNF@LNafion在2mA cm-2时的库伦效率，比容量曲线
(C1),(C2) LCNF@LNafion在5mA cm-2时的库伦效率，比容量曲线
(D1),(D2) LCNF@LNafion在8mA cm-2时的库伦效率，比容量曲线
图5 循环性能图

文章插图

(A) LCNF/LNafion（红）和Li/Li（黑）电池以1 mA cm-2时的电流密度恒流循环
(B) LCNF/LNafion（红）电极和SCNF（黑）电极在1 mA cm-2时的电流密度下的循环性能
(C) LiPO4/LI-LCNF@LNation电池的循环性能
【小结】
本文通过设计阳极表面结构控制Li枝晶生长，研究结果表明具有适当的内外半径比的空心碳纳米纤维可以控制锂枝晶。作者发现藕状碳纳米纤维基体使锂优先在内层表面沉积，因此稳定的碳壳层可以阻挡锂枝晶生长。此外，多通道结构也赋予LCNF阳极具有高承载锂能力。由于Nafion SEI的存在， Li-LCNF阳极实现了3600mAh的容量并提高了库伦效率（达到99%以上）。同时，磷酸铁锂与Li-LCNF@LNafion组成的电池也表现了优秀的电化学性能，作者认为对锂离子沉积与基体几何关系的认识将为锂电池系统中混合锂阳极的合理设计提供新思路。