清华张强团队 Adv. Funct. Mater.：自适应压力调控复合负极的Li沉积/溶解，助力高效LIBs

小胖纸 4年前 (2020-11-05) 3331浏览

【背景介绍】

众所周知，2019年诺贝尔化学奖是表彰锂（Li）离子电池的研发。然而，锂离子电池（LIBs）中石墨负极的理论比容量低（372 mAh g-1）限制了其进一步的应用。锂金属具有超高的比容量（3860 mAh g-1）和低还原电势，是一种优良的负极材料。然而，不受控的Li枝晶生长和大的体积波动，导致界面不稳定、使用寿命短等问题，目前仍未应用于实际可充电器件中。其中，具有导电3D主体的复合Li负极可将Li沉积限制在内部孔中而保持尺寸稳定性，减小体积波动，同时充足的导电表面显着降低了面电流密度。但是，复合负极内部的密闭空间内并未改变Li枝晶的生长。因此，需要从考虑内部Li沉积/溶解角度来探索新型复合负极。此外，还没有利用Li金属的机械性能来调节复合负极中的内部Li沉积/溶解的方法。

【成果简介】

近日，清华大学的张强教授（通讯作者）等人报道了一种新兴且合理的设计复合负极的策略，以调节内部Li沉积/溶解。自适应压力是由导电主体内部填充的弹性聚合物产生，其超过了Li的屈服强度，能够限制内部Li的生长。同时，在压力作用下电子路径持久存在，使Li形成了光滑且利于率很高的形态，减少了形成死Li。在实际条件下，该压力自适应的复合负极在进行160次循环后，期容量保持率为80％，而平面Li负极在实际应用中可进行60次循环。此外，一个1.0 Ah的袋式电池可以被循环利用68次。该工作不仅通过在复合负极中引入自适应压力为内部Li沉积/溶解的调节提供了新视角，而且还展示了探索用于实际Li金属电池的多功能复合负极的途径。研究成果以题为“A Pressure Self-Adaptable Route for Uniform Lithium Plating and Stripping in Composite Anode”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、不同复合负极的电镀过程示意图
（a）带有常规3D主机的复合负极电镀过程的示意图；

（b）带有压力自适应主机的复合负极电镀过程的示意图。

图二、在Li沉积/溶解过程中，PAN聚合物的变化
（a）Li电镀过程中，填充有PAN聚合物主体的von Mises应力分布；

（b）在Li沉积/溶解过程中，PAN边界位移的示意图；

（c）在变形过程中，PAN的杨氏模量；

（d-e）铜网和铜网@PAN的Li电镀后的顶视图SEM图像。

图三、CF@PAN的表面形态和结构，沉积Li在CF@PAN中的位置
（a）CF@PAN和EDS的俯视SEM图像；

（b）通过X射线显微镜观察镀Li后，CF@PAN的3D形貌；

（c）沿（b）中蓝色虚线的横截面局部视图；

（d）沿（b）中紫色虚线的纵剖面局部视图。

图四、在反复循环中，复合负极表面的形貌变化
（a-b）电流密度为1.0 mA cm-2、容量为3.0 mAh cm-2下进行10次循环后，CF@PAN和CF负极镀层形貌的俯视SEM图像；

（c-d）电流密度为1.0 mA cm-2、容量为3.0 mAh cm-2下进行10次循环后，CF@PAN和CF负极剥离形貌的俯视SEM图。

图五、在实际条件下，袋式电池的循环性能
（a）NCM523正极和不同负极的纽扣电池在0.4 C下的循环性能；

（b）使用平面Li和Li/CF@PAN负极的第30次和第100次循环中纽扣电池的相应电压曲线；

（c）一个1.0 Ah的袋式电池在0.1 C下的循环性能，并插入袋式电池的数字图像；

（d）第30次和60次循环时，袋式电池的电压-容量曲线。

【小结】

综上所述，作者提出了一种新兴的压力自适应策略，以调节复合Li负极中Li沉积/溶解的行为。作者研究了在内部空间受限下，Li沉积/溶解的重要性，加强了对微米级复合负极内部Li金属电化学行为的理解。自适应压力大于沉积的Li的屈服强度，将沉积的Li限制在致密且光滑的形态中。因此，由于平滑的Li和在自适应压力下持续存在的电子路径，可以实现对沉积Li的高度利用，并减少产生死Li。总之，该工作表明通过自适应压力来调节复合负极内部Li沉积/溶解，可以应对实际挑战，同时为开发长寿命可充电电池的多功能复合负极提供了范例。

文献链接：A Pressure Self-Adaptable Route for Uniform Lithium Plating and Stripping in Composite Anode（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004189）

本文由CQR编译。

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