1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

南京大学张会刚教授AFM:石墨烯薄膜层间电镀金属锂用作锂负极

南京大学现代工学院张会刚教授课题组与美国伊利诺伊大学香槟分校Paul Braun团队合作研发了一种Au纳米颗粒夹层石墨烯薄膜(Au-rGO)的“层间电镀”技术,并将其运用于稳定锂金属负极电极,表现出优异的库伦效率和对称电池测试。

 【前沿部分】

金属锂负极由于高的理论容量(3860mAh/g)和较低的氧化还原电位(-3.04 V,相对于标准氢电极)再次引起人们的广泛关注,并被认为是大能量密度锂离子电池研发中最有前景的负极材料之一。然而,在充放电循环中,锂金属的沉积和剥离通常是不均匀的,这会导致锂枝晶的生长。此外,加之自然形成的固体电解质界面膜(SEI)的不稳定性,会进一步促进上述现象的发生。一方面,锂枝晶会形成非活性的“死锂”,降低电池库伦效率;另一方面,锂枝晶的持续增长会刺穿隔膜,造成电池内部短路,引发潜在的电池安全问题。

目前,为了解决锂负极存在的这些问题,以前的研究方案是通过添加或改变电解液以强化SEI膜的机械性能或者在锂和隔膜之间引入保护层作为人工SEI膜,或者是利用三维骨架降低电流密度,延迟枝晶生长。但是,不均匀的锂成核仍会发生在SEI膜下和三维结构内部。

最近,南京大学现代工学院张会刚教授课题组与美国伊利诺伊大学香槟分校Paul Braun团队合作研发了一种Au纳米颗粒夹层石墨烯薄膜(Au-rGO)的“层间电镀”技术,并将其运用于稳定锂金属负极电极,表现出优异的库伦效率和对称电池测试。最后,作者通过不同的表征手段证实了该项技术确实可以诱导锂金属的均匀沉积。该文章发表在国际著名期刊AdvancedFunctional Materials上(影响因子:13.325)。 

【核心内容】

利用锂金属在Au基底上无需额外的成核能这一原理,将Au纳米颗粒分散于层状石墨烯薄膜中,诱导锂离子穿过石墨烯层在Au颗粒上成核,并最终致使锂金属在石墨烯层间水平生长。

石墨烯薄膜层间电镀金属锂用作锂负极

图1.(a)铜箔上锂沉积示意图;(b-c)Au层诱导锂选择性沉积;(e)层间电镀示意图。

石墨烯薄膜层间电镀金属锂用作锂负极

图2.(ab)未处理石墨烯膜(rGO)SEM照片;(c)rGO上锂离子迁移示意图;(de)Au-rGO的SEM照片;(f)Au-rGO中的锂离子迁移示意图;(gh)Au-rGO的TEM照片;(i)氧化石墨烯(GO)、rGO、Au-rGO的XRD图片。

作者首先通过对镀锂样品的SEM和光学照片表征,发现锂金属在未处理的原始rGO膜上沉积的位置位于薄膜的表层和边缘。而在Au-rGO电极中,锂金属可以均匀地沉积在石墨烯层间并撑开原本簿层的石墨烯膜。此外,作者将电镀完锂金属的rGO和Au-rGO置于氧气气氛中,使得活泼的锂金属自发和氧反应形成氧化锂,再通过元素Mapping,探测出锂位于Au-rGO的层间和rGO在表层。在经过200次的锂电镀/剥离的测试后,依然保持较高的电化学性能。

石墨烯薄膜层间电镀金属锂用作锂负极

图3. (a)Au-rGO中沉积量为0.25mAh/cm^2的SEM照片;(b,c) Au-rGO中沉积量为2mAh/cm^2的SEM照片;(d) 锂从Au-rGO中剥离后的SEM;(e)二维铜箔上锂沉积的SEM;(f)rGO镀完锂的SEM;(g-i)Li2O在Au-rGO中的SEM与Mapping;(j-l)Li2O在Au-rGO中的SEM与Mapping。

石墨烯薄膜层间电镀金属锂用作锂负极

图4.电化学数据:(a,b)不同电流密度和不同锂含量的库伦效率对比曲线;(c)不同样品的锂电镀与剥离的曲线对比;(d,e)0.5mA/cm^2下对称电池的充放循环测试曲线以及相对应的电压滞后;(f)不同循环次数时的锂沉积/剥离放大曲线;(g,h)不同循环次数后的阻抗图。

通过对循环后拆解出的Au-rGO和rGO样品SEM表征可以对“层间电镀”技术在锂金属负极领域中的优势,并推测出Au-rGO优异的电化学性能源于:(1)Au纳米颗粒诱导锂金属在石墨烯层间沉积,避免了新鲜锂和电解液的大面积接触,致使少量SEI仅在石墨烯膜表层形成,降低了电极内部SEI的含量;(2)石墨烯层可充当人工SEI;(3)机械应力较强的碳层迫使锂金属由原来的垂直生长变为二维的平面生长,大大降低了锂枝晶出现的概率。 

文章第一作者为南京大学2015级博士生濮军,南京大学现代工学院朱嘉教授和西北大学化工学院马海霞老师为文章合作者,南京大学现代工学院张会刚和伊利诺伊大学香槟分校材料系PV Braun为文章通讯作者。本项研究得到了青年千人计划、江苏双创人才、江苏省杰出青年基金支持、国家自然科学基金委(21776121)和国家重点研发计划(2017YFA0205700)的资助。本项目还得到了南通基础研究基金的支持。

 

Jun Pu, Jiachen Li, Zihan Shen, ChenglinZhong, Jinyun Liu, Haixia Ma, Jia Zhu, Huigang Zhang, and Paul V Braun, InterlayerLithium Plating in Au Nanoparticles Pillared Reduced Graphene Oxide for LithiumMetal Anodes, Advanced Functional Materials, 2018, DOI:10.1002/adfm.201804133

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code