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周光敏/丘陵AFM:親鋰設(shè)計(jì)+3D打印,實(shí)現(xiàn)50C倍率的鋰金屬電池

周光敏/丘陵AFM:親鋰設(shè)計(jì)+3D打印,實(shí)現(xiàn)50C倍率的鋰金屬電池
第一作者:Shuyan Ni,Jinzhi Sheng
通訊作者:周光敏,丘陵
通訊單位:清華大學(xué)深圳國際研究生院
DOI:10.1002/adfm.202200682

背景介紹

鋰金屬是下一代高能量密度可充電電池負(fù)極的終極選擇而備受關(guān)注。然而,不可控的枝晶生長、死鋰的形成以及鋰金屬負(fù)極的大體積變化會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患,例如短路、起火甚至爆炸。引入鋰宿主材料可能是緩解上述問題的優(yōu)異策略,氧化石墨烯(GO)薄膜具有優(yōu)異的親鋰性,這對于在合成過程中實(shí)現(xiàn)均勻的熔融鋰注入和電池循環(huán)中的低鋰成核勢壘至關(guān)重要。然而,用作鋰宿主的全致密GO薄膜存在許多問題。金屬鋰傾向于在電極的上表面沉積和剝離,且沉積的鋰金屬會阻礙電解液的進(jìn)入和離子傳輸,導(dǎo)致枝晶生長、SEI破裂和內(nèi)部電極表面的損失。值得關(guān)注的是,電極中不那么曲折的離子傳輸路徑會在電解液中產(chǎn)生低的鋰離子濃度梯度和均勻的電極電流密度。

成果介紹

鑒于此,清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授和丘陵副教授等人采用連續(xù)離心鑄造法制備了大面積氧化石墨烯(GO)作為鋰金屬的宿主,然后使用3D打印模板通過簡單的沖壓方法在其中制造對齊的微通道。GO基體有效地調(diào)節(jié)了鋰的沉積/剝離行為,而對齊的通道均勻地分布了鋰離子通量并提供了短的鋰離子擴(kuò)散路徑。同時(shí),Li/多孔GO復(fù)合材料具有柔韌性,其可控厚度為50至150μm,對應(yīng)的容量為9.881至27.601 mAh cm-2。

結(jié)果表明,所制備的負(fù)極在循環(huán)100小時(shí)后具有30 mV的低過電位,≈3538 mAh g-1的高容量(理論容量的91.4%),以及匹配LiFePO4正極在高達(dá)50 C的倍率下展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。此外,多孔GO/Li電極還與其他正極配對并用于軟包電池,表明其適用于各種高能電池系統(tǒng)。

相關(guān)論文以“Dendrite-Free Lithium Deposition and Stripping Regulated by Aligned Microchannels for Stable Lithium Metal Batteries”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.

研究亮點(diǎn)

1. 耦合親鋰和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到的電極具有柔韌性,可以多次折疊和展開,厚度可控。GO中排列的通道能夠均勻分布鋰離子通量,提供更短的擴(kuò)散路徑;

2. 復(fù)合負(fù)極具有低于30 mV的低過電位和超過400小時(shí)的長壽命。組裝了與 LiFePO4正極匹配的電池,在20 C的高倍率下具有93 mAh g-1的容量和超過600 次的長循環(huán)壽命;
3. 與LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極配對時(shí),其容量為117.9 mAh g-1,并在150個(gè)循環(huán)后保持穩(wěn)定;

圖文解析

周光敏/丘陵AFM:親鋰設(shè)計(jì)+3D打印,實(shí)現(xiàn)50C倍率的鋰金屬電池

圖1 GO致密薄膜的制備及表征
周光敏/丘陵AFM:親鋰設(shè)計(jì)+3D打印,實(shí)現(xiàn)50C倍率的鋰金屬電池
圖2 GO/Li電極的鋰沉積/剝離過程
周光敏/丘陵AFM:親鋰設(shè)計(jì)+3D打印,實(shí)現(xiàn)50C倍率的鋰金屬電池
圖3 循環(huán)過程中的極化測試
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圖4 循環(huán)前后的形貌和阻抗演變
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圖5 全電池測試
Shuyan Ni, Jinzhi Sheng, Chang Zhang, Xin Wu, Chuang Yang, Songfeng Pei, Runhua Gao, Wei Liu, Ling Qiu,*Guangmin Zhou*,Dendrite-Free Lithium Deposition and Stripping Regulated by Aligned Microchannels for Stable Lithium Metal Batteries,2022,https://doi.org/10.1002/adfm.202200682

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