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廣工大黃少銘&李藝娟AFM:基于新型三維合金負極的先進鋰金屬電池

廣工大黃少銘&李藝娟AFM:基于新型三維合金負極的先進鋰金屬電池
由于鋰金屬的高容量和低電極電位,它已被公認為是最有前景的負極材料。然而,鋰的高反應(yīng)性、無限的體積變化以及在長期循環(huán)過程中不可控的枝晶生長嚴重限制了其實際應(yīng)用。
廣工大黃少銘&李藝娟AFM:基于新型三維合金負極的先進鋰金屬電池
圖1. 材料制備及表征
廣東工業(yè)大學(xué)黃少銘、李藝娟等通過簡單的冶煉-軋制方法設(shè)計構(gòu)建了一種新型的三維鋁/鎂/鋰合金框架材料(記為AM-Li),以提高裸鋰金屬負極的電化學(xué)性能。所制備的AM-Li合金由Li相、Li9Al4相和Li-Mg固溶體組成。經(jīng)過合金化改性,鋰金屬負極的空氣敏感性得到了一定程度的改善,這將有助于提高材料的安全性能,降低電池組裝過程中的環(huán)境嚴酷度。
此外,Li9Al4提供的三維骨架結(jié)構(gòu)有利于降低局部電流密度,為容納鋰離子提供足夠的空間,緩解體積膨脹效應(yīng),從而提高充放電循環(huán)中的電極穩(wěn)定性。同時,DFT計算證實,Li9Al4和Li-Mg固溶體對于鍍鋰具有更強的親鋰性,有利于誘導(dǎo)鋰離子的有序沉積,抑制鋰枝晶的生長。
廣工大黃少銘&李藝娟AFM:基于新型三維合金負極的先進鋰金屬電池
圖2. 半電池性能
因此,對稱電池(AM-Li-4|AM-Li-4)表現(xiàn)出低極化電壓(< 20 mV)和完美的循環(huán)穩(wěn)定性,在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下的循環(huán)時間超過1600小時。
此外,AM-Li-4|NCM811全電池(正極負載:≈20 mg cm-2)表現(xiàn)出卓越的倍率能力,最高可達5C,并在0.5C下循環(huán)100次后容量保持率高達90.8%。
因此,這項研究表明,三維合金主體的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠穩(wěn)定鋰金屬負極,這可以為開發(fā)高性能和高安全性的鋰金屬電池提供有益的思路。
廣工大黃少銘&李藝娟AFM:基于新型三維合金負極的先進鋰金屬電池
圖3. 全電池性能
A Novel 3D Li/Li9Al4/Li-Mg Alloy Anode for Superior Lithium Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202213905

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