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北化邵明飛等Nano Energy：構(gòu)建無枝晶鋰/鈉/鉀/鋅金屬負極的通用策略

有效抑制金屬負極（如鋰、鈉、鉀和鋅）的枝晶生長已成為金屬基電池的共識。然而，對于伴隨著不同化學(xué)環(huán)境（例如溶劑效應(yīng)、電負性和離子半徑）的不同金屬電池，開發(fā)一種通用的方法來構(gòu)建無枝晶金屬負極是一個巨大的挑戰(zhàn)。

北京化工大學(xué)邵明飛、Bowen Jin等報道了一種通過“F”雜原子摻雜的TiO₂納米棒陣列誘導(dǎo)Li、Na、K和Zn均勻成核的策略。

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圖1. 材料制備及表征

密度泛函理論(DFT)計算表明，F(xiàn)雜原子可以作為電負性中心來降低Li、Na、K和Zn的吸附能，從而增強親核性和低成核過電位。因此，作者在碳布（CC）上構(gòu)建了獨立的3D TiO₂-F陣列（CC/TiO₂-F），它不僅實現(xiàn)了Li、Na、K和Zn的均勻成核，而且還緩沖了金屬沉積和剝離過程中的體積膨脹，從而使電池獲得高庫倫效率（CE）和長循環(huán)壽命。

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圖2. CC/TiO₂-F上的鋰沉積剝離過程

實驗顯示，CC/TiO₂-F基 Li、Na、K和Zn對稱電池2 mA cm^-2下的循環(huán)壽命分別高達1100 小時、530小時、720小時和 510小時，分別是其CC基裸電池的 4.4、26.5、24.1和25.5倍。

此外，使用CC/TiO₂-F@Li與LiFePO₄ (LFP)或硫組裝的全電池也具有高初始容量和高容量保持率。組裝的鋰硫軟包電池在平坦和彎曲狀態(tài)下也表現(xiàn)出高容量和長循環(huán)。因此，這項工作為開發(fā)具有高容量和安全性的各種金屬負極電池提供了一種新策略。

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圖3. 對稱電池性能

Fluorine Enhanced Nucleophilicity of TiO2 Nanorod Arrays: A General Approach for Dendrite-Free Anodes towards High-Performance Metal Batteries. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106837

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