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北化工孫曉明/劉文/羅亮AFM: 超薄鋁納米片作為低成本、高性能鋰離子電池負(fù)極

高容量鋁金屬被認(rèn)為是一種很有前途的鋰離子電池負(fù)極材料，但在鋰化和脫鋰過程中會(huì)產(chǎn)生粉化和副反應(yīng)，這取決于納米結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和可控合成。

在此，北京化工大學(xué)孫曉明教授、劉文教授及羅亮副教授等人提出了在具有花冠狀結(jié)構(gòu)的碳納米管上生長的超薄鋁納米片（Al-NS-CNTs）作為鋰離子電池的負(fù)極材料，該納米片是通過簡便的一鍋濕化學(xué)工藝制造的。結(jié)構(gòu)表征表明，Al納米片的超薄單晶性使電池循環(huán)時(shí)電極的合金化/去合金化具有高可逆性。

Al（111）的主暴露晶面增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性并使電極具有優(yōu)異的循環(huán)性能。此外，在Al-NS中引入CNTs（Al:CNTs=2:1）可以進(jìn)一步提高電極的離子/電子電導(dǎo)率，為電極提供良好的倍率能力。

圖1. Al-NS-CNTs的濕化學(xué)合成及結(jié)構(gòu)表征

因此，基于優(yōu)先暴露的Al (111) 晶面和小于5 nm的相當(dāng)有限的厚度，電池在1 C 下表現(xiàn)出 990 mAh g^-1的高可逆容量和24 C下524.6 mAh g^-1的優(yōu)異倍率容量，且具有長期穩(wěn)定性，在 5、10 和 20 C 的高倍率下循環(huán)500次后幾乎沒有容量衰減。

DFT計(jì)算表明，用于快速Li⁺擴(kuò)散的Al (111) 晶面的高楊氏模量和碳納米管復(fù)合材料設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)高倍率能力并減輕放電/充電過程中的巨大體積變化?？紤]到Al納米片的簡便合成和獨(dú)特的超薄結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)高電化學(xué)活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鋰離子電池負(fù)極材料提供了新途徑。

圖2. Al-NS-CNTs負(fù)極的電化學(xué)性能

Ultrathin Aluminum Nanosheets Grown on Carbon Nanotubes for High Performance Lithium Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202109112

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