Small Science:脱合金铜骨架的CVD原位修饰实现高利用率锂金属负极

锂金属具有高理论容量(3860 mAh g−1)和低还原电势(−3.04 V vs. 标准氢电极),被认为是高比能二次电池的理想负极材料之一。然而,金属锂在重复的沉积剥离过程中体积膨胀剧烈且枝晶生长严重,导致其库伦效率低、循环性能差。鉴于此,将修饰亲锂位点的三维骨架作为锂金属沉积的宿主,可以有效诱导锂均匀沉积、缓解锂体积膨胀、抑制锂枝晶生长。然而,其中三维骨架的理性设计策略、枝晶生长的决定因素、亲锂位点的演化机制、高锂利用率(低N/P比)下的可行性等问题仍不明晰,需要进一步探究。

苏州大学能源学院孙靖宇教授课题组通过高温脱合金-原位CVD硒化策略,在脱合金铜骨架上均匀地修饰了薄层硒化铜纳米颗粒(D-Cu@CuSe)。基于这种三维亲锂骨架提出了抑制锂枝晶生长的三大要素:(i)低的局部电流密度;(ii)低的锂成核过电势;(iii)低的锂离子迁移能垒。并揭示了在锂沉积过程中CuSe会原位转化为Li2Se,作为具有优异机械性能和高锂离子电导率的人工固态电解质界面层(SEI),从而有效缓解锂金属负极的体积膨胀和抑制枝晶生长。

半电池的电化学测试表明D-Cu@CuSe三维亲锂骨架能够显著提高锂沉积剥离的库伦效率和稳定性。首先在1 mA cm–2/1 mAh cm–2的条件下循环300圈能够保持98.8%的高库伦效率。进一步在高电流(5 mA cm–2/1 mAh cm–2)或者高容量(1 mA cm–2/5 mAh cm–2)的下依然能够实现高的库伦效率和稳定的循环。进一步的,在对称电池的电化学测试中,D-Cu@CuSe-Li在1 mA cm–2/1 mAh cm–2的条件下表现出极低(<10 mV)的电压迟滞,并且能够稳定的进行沉积剥离1800 h。更值得一提的是,当锂利用率提高至62.5%(1 mA cm–2/5 mAh cm–2),D-Cu@CuSe-Li依然可以实现1000 h的稳定循环,与最近报道的文献相比具有优势。

最后将D-Cu@CuSe-Li负极与LiFePO4或S正极耦合来评估全电池的电化学性能,发现两种类型的锂金属全电池都能获得更佳的倍率性能和循环表现,并且具有更高的库伦效率。更重要的是,当与高负载硫正极(4 mg cm–2)匹配时,锂硫全电池可以在高放电深度下(N/P≈2)下稳定循环30圈,具有一定的实用化前景。

该工作为锂金属负极保护中三维集流体的合理设计提供了新思路,为未来实用化锂金属电池的研究及应用提供了借鉴。

【通讯作者简介】

孙靖宇:苏州大学特聘教授,博士生导师,牛津大学博士,苏州大学—北京石墨烯研究院产学研协同创新中心主任。江苏省“先进碳材料与可穿戴能源技术”重点实验室主任。科学通报(材料科学方向)/J. Energy Chem./Chin. Chem. Lett./InfoMat(青年)编委。2008年本科毕业于浙江大学,2013年于英国牛津大学获博士学位。2013-2015、2015-2017年分别在北京大学和英国剑桥大学开展博士后研究工作。2017年2月入职苏州大学能源学院,2018年受聘北京石墨烯研究院兼职研究员。主要从事石墨烯材料的无转移可控生长及清洁能源领域应用研究。发展了石墨烯控制生长的Direct-CVD技术,创制了系列石墨烯新材料,研究成果被Nature Mater.等亮点报道。

个人主页:http://acmwet.energy.suda.edu.cn/c8/6b/c21512a444523/page.htm

论文信息:

Synergizing Conformal Lithiophilic Granule and Dealloyed Porous Skeleton toward Pragmatic Li Metal Anodes

Zixiong Shi, Zhongti Sun, Xianzhong Yang, Chen Lu, Shuo Li, Xiaoyu Yu, Yifan Ding, Ting Huang, Jingyu Sun*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100110

链接:https://doi.org/10.1002/smsc.202100110